Z.G. Jiang and R.A. North- Membrane Properties and Synaptic Responses of Rat Striatal Neurones in...

8/3/2019 Z.G. Jiang and R.A. North- Membrane Properties and Synaptic Responses of Rat Striatal Neurones in Vitro

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J o u r n a l o f P h y s i o l o g y ( 1 9 9 1 ) , 4 4 3 , p p . 5 3 3 - 5 5 3 533W i t h 8 f i g u r e sP r i n t e d i n G r e a t B r i t a i n

MEMBRANE PROPERTIES AND SYNAPTIC RESPONSES OF RATSTRIATAL NEURONES IN VITROBY Z . - G . JIANG AND R . A . NORTH

From t h e V o l l u m I n s t i t u t e , O r e g o n H e a l t h S c i e n c e s U n i v e r s i t y ,P o r t l a n d , OR 9 7 2 0 1 , USA

( R e c e i v e d 2 7 N o v e m b e r 1 9 9 0 )SUMMARY

1 . A t i s s u e s l i c e c o n t a i n i n g a s e c t i o n o f s t r i a t u m w a s c u t o b l i q u e l y f r o m r a t b r a i ns o a s t o p r e s e r v e a d j a c e n t c o r t e x a n d p a l l i d u m . I n t r a c e l l u l a r r e c o r d i n g s w e r e . m a d ef r o m 3 6 8 n e u r o n e s , u s i n g e i t h e r c o n v e n t i o n a l o r t i g h t - s e a l c o n f i g u r a t i o n s .2 . Two t y p e s o f n e u r o n e w e r e d i s t i n g u i s h e d e l e c t r o p h y s i o l o g i c a l l y . P r i n c i p a l c e l l s( 9 6 % ) h a d v e r y n e g a t i v e r e s t i n g p o t e n t i a l s (-89 mV) a n d a l o w i n p u t r e s i s t a n c ea t t h e r e s t i n g membrane p o t e n t i a l ( 3 9 MQ ): me mbra ne c o n d u c t a n c e ( 1 0 n S a t- 65 mV) i n c r e a s e d w i t h i n t e n s o f m i l l i s e c o n d s a f t e r t h e o n s e t o f h y p e r p o l a r i z a t i o n( 9 9 n S a t - 1 2 0 m V ) . S e c o n d a r y c e l l s ( 4 % ) h a d l e s s n e g a t i v e r e s t i n g p o t e n t i a l s(-60 mV) a n d a h i g h e r i n p u t r e s i s t a n c e ( 1 1 7 M C 2 a t t h e r e s t i n g p o t e n t i a l ) :h y p e r p o l a r i z a t i o n c a u s e d a n i n w a r d c u r r e n t t o d e v e l o p o v e r h u n d r e d s o f m i l l i s e c o n d st h a t h a d t h e p r o p e r t i e s o f H - c u r r e n t .3 . M o s t p r i n c i p a l c e l l s w e r e a c t i v a t e d a n t i d r o m i c a l l y b y e l e c t r i c a l s t i m u l a t i o n o ft h e g l o b u s p a l l i d u s o r i n t e r n a l c a p s u l e . I n t r a c e l l u l a r l a b e l l i n g w i t h b i o c y t i n s h o w e dt h a t p r i n c i p a l c e l l s h a d a medium s i z e d soma ( 1 0 - 1 8 p t m ) , e x t e n s i v e d e n d r i t i c t r e e sd e n s e l y s t u d d e d w i t h s p i n e s a n d , i n s o m e c a s e s , a m a i n a x o n w h i c h e x t e n d e d t o wa r d st h e g l o b u s p a l l i d u s .4 . E l e c t r i c a l s t i m u l a t i o n o f t h e c o r p u s c a l l o s u m o r e x t e r n a l c a p s u l e e v o k e d ad e p o l a r i z i n g p o s t s y n a p t i c p o t e n t i a l . T h i s s y n a p t i c p o t e n t i a l w a s r e v e r s i b l y b l o c k e db y a c o m b i n a t i o n o f 6 - c y a n o - 7 - n i t r o q u i n o x a l i n e - 2 , 3 - d i o n e ( C N Q X , 1 0 / t M ) a n d D L - 2 -a m i n o - 5 - p h o s p h o n o v a l e r i c a c i d ( A P V , 3 0 # M ) , b u t w a s u n a f f e c t e d b y b i c u c u l l i n e( 3 0 f t M ) a n d p i c r o t o x i n ( 1 0 0 , z M ) . T h e u n d e r l y i n g s y n a p t i c c u r r e n t h a d a f a s tc o m p o n e n t ( t i m e t o p e a k a b o u t 4 m s ) , t h e a m p l i t u d e o f w h i c h w a s l i n e a r l y r e l a t e dt o membrane p o t e n t i a l a n d w h i c h w a s b l o c k e d b y CNQX; i n CNQX t h e s y n a p t i cc u r r e n t h a d a s l o w e r c o m p o n e n t ( t i m e t o p e a k a b o u t 1 0 m s ) w h i c h s h o w e d v o l t a g ed e p e n d e n c e t y p i c a l o f N - m e t h y l - D - a s p a r t a t e (NMDA) r e c e p t o r s . B o t h c u r r e n t sr e v e r s e d a t - 5 mV.5 . F o c a l e l e c t r i c a l s t i m u l a t i o n w i t h i n t h e s t r i a t u m ( 1 0 0 - 3 0 0 , u m f r o m t h e s i t e o fi n t r a c e l l u l a r r e c o r d i n g ) e v o k e d a s y n a p t i c p o t e n t i a l t h a t was p a r t i a l l y b l o c k e d( 4 5 - 9 5 %) b y CNQX a n d APV: t h e r e m a i n i n g s y n a p t i c p o t e n t i a l was b l o c k e d b yb i c u c u l l i n e ( 3 0 , U M ) . T h e b i c u c u l l i n e - s e n s i t i v e s y n a p t i c c u r r e n t r e v e r s e d a t t h ec h l o r i d e e q u i l i b r i u m p o t e n t i a l .6 . T h e f i n d i n g s c o n f i r m t h a t t h e m a j o r i t y o f n e o s t r i a t a l n e u r o n e s ( p r i n c i p a l c e l l s ,MS 8 9 6 7

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Z . - G . JIANG AND R . A . NORTHm edium s p i n y n e u r o n e s ) p r o j e c t t o t h e p a l l i d u m a n d r e c e i v e s y n a p t i c i n p u t s f r o mc e r e b r a l c o r t e x m e d i a t e d b y a n e x c i t a t o r y amino a c i d a c t i n g t h r o u g h NMDA a n dnon-NMDA r e c e p t o r s . T h e s e c e l l s a l s o r e c e i v e s y n a p t i c i n p u t s f r o m i n t r i n s i c s t r i a t a ln e u r o n e s m e d i a t e d b y GABA. A m i n o r i t y o f c e l l s ( 4 % ) h a v e d i s t i n c t e l e c -t r o p h y s i o l o g i c a l p r o p e r t i e s , a l s o r e c e i v e b o t h t y p e s o f s y n a p t i c i n p u t , a n d a r ep r e s u m e d t o b e i n t e r n e u r o n e s .

INTRODUCTIONS i x t y p e s o f n e u r o n e s i n t h e s t r i a t u m h a v e b e e n d i s t i n g u i s h e d a c c o r d i n g t o t h e s i z e

o f t h e soma a n d t h e a p p e a r a n c e a n d a r r a n g e m e n t o f t h e d e n d r i t e s (Kemp & P o w e l l ,1 9 7 1 a ; G r a y b i e l & R a g s d a l e , 1 9 8 3 ) . T h e b e s t s t u d i e d i s t h e o n e w h i c h c o n s t i t u t e sm o r e t h a n 9 5% o f t h e c e l l p o p u l a t i o n i n t h e s t r i a t u m , b e i n g o f medium s i z e( 9 - 1 8 ,m) a n d d e n s e l y s t u d d e d w i t h d e n d r i t i c s p i n e s . T h e c o r t i c a l i n p u t s f o r ma s y m m e t r i c a l s y n a p t i c c o n t a c t s w i t h t h e s e n e u r o n e s , m a i n l y o n t h e d e n d r i t i c s p i n e s(Kemp & P o w e l l , 1 9 7 1 a - c ) . T h e s e medium s p i n y n e u r o n e s s e n d t h e i r m a i n a x o n s t ot h e f i b r e b u n d l e s b e y o n d t h e b o r d e r o f t h e n u c l e u s t o t e r m i n a t e i n g l o b u s p a l l i d u s a n dm i d b r a i n d e s t i n a t i o n s ( P r e s t o n , B i s h o p & K i t a i , 1 9 8 0 ; S o m o g y i , Bolam & S m i t h ,1 9 8 1 ) . T h e a x o n s a l s o e x t e n s i v e l y a r b o r i z e t h r o u g h o u t a r o u g h l y s p h e r i c a l s p a c ea r o u n d t h e c e l l b o d i e s , s o m e 2 5 0 - 4 5 0 , t m i n r a d i u s , a n d t h e s e a x o n a l p l e x u s e s p r o v i d es y m m e t r i c a l s y n a p s e s w i t h o t h e r s t r i a t a l n e u r o n e s , m o s t l i k e l y w i t h t h e s a m e t y p eo f c e l l s ( K e m p & P o w e l l , 1 9 7 1 c ; P r e s t o n e t a l . 1 9 8 0 ; S o m o g y i e t a l . 1 9 8 1 ) . N e u r o n e so f t h i s t y p e c o n t a i n e n z y m e s i n v o l v e d i n t h e s y n t h e s i s o f y - a m i n o b u t y r i c a c i d( G A B A ; R i b a k , V a u g h n & R o b e r t s , 1 9 7 9 ; F i s h e r , B u c h w a l d , H u l l & L e v i n e , 1 9 8 6 )a n d a r e b e l i e v e d t o b e i n h i b i t o r y t o t h e t a r g e t n e u r o n e s t h a t t h e y i n n e r v a t e o u t s i d et h e s t r i a t u m ( Y o s h i d a & P r e c h t , 1 9 7 1 ; Y o s h i d a , R a b i n & A n d e r s o n , 1 9 7 2 ) . T h ea b u n d a n c e o f i n t r i n s i c s y n a p t i c c o n t a c t s b e t w e e n t h i s c l a s s o f c e l l s w i t h i n t h es t r i a t u m s u g g e s t s l o c a l f e e d b a c k i n h i b i t i o n among t h e o u t p u t c e l l s ( P a r k , L i g h t h a l l& K i t a i , 1 9 8 0 ) .N e u r o n e s i n t h e s t r i a t u m r e c e i v e m o n o s y n a p t i c i n p u t s f r o m t h e c o r t e x i n at o p o g r a p h i c a l l y o r g a n i z e d b u t e x t e n s i v e l y o v e r l a p p i n g way ( S o m o g y i e t a l . 1 9 8 1 ;M c G e o r g e & F a u l l , 1 9 8 9 ) , a s w e l l a s f r o m t h e c e n t r o m e d i a n - p a r a f a s c i c u l a r c o m p l e xi n t h a l a m u s ( M e h l e r , 1 9 6 6 ; B e c k s t e a d , 1 9 8 4 ) a n d s u b s t a n t i a n i g r a i n t h e m i d b r a i n( B e c k s t e a d , D o m e s i c k & N a u t a , 1 9 7 9 ; G e r f e n , Herkenham & T h i b a u l t , 1 9 8 7 ) . I n v i v or e c o r d i n g s i n t h e c a t s h o w e d t h a t c o r t i c a l s t i m u l a t i o n i n d u c e d b i p h a s i c s y n a p t i cp o t e n t i a l s , a d e p o l a r i z a t i o n f o l l o w e d b y a h y p e r p o l a r i z i n g s y n a p t i c p o t e n t i a l ( H u l l ,B e r n a r d i , P r i c e & B u c h w a l d , 1 9 7 3 ; C a l a b r e s i , M e r c u r i , S t e f a n i & B e r n a r d i , 1 9 9 0 b ) .I n v i t r o r e c o r d i n g s i n t h e r a t s h o w t h a t i n t r a s t r i a t a l s t i m u l a t i o n c a n e v o k e s y n a p t i cp o t e n t i a l s h a v i n g c o m p o n e n t s m e d i a t e d b y e x c i t a t o r y a m i n o a c i d s a n d b y GABA( C h e r u b i n i , H e r r l i n g , L a n f u m e y & S t a n z i o n e , 1 9 8 8 ; C a l a b r e s i , M e r c u r i & B e r n a r d i ,1 9 9 0 a ) . T h e s e r e s u l t s h a v e b e e n i n t e r p r e t e d t o i n d i c a t e t h a t t h e i n i t i a l d e p o l a r i z i n gs y n a p t i c p o t e n t i a l r e s u l t s d i r e c t l y f r o m t h e a c t i o n o f a n e x c i t a t o r y a m i n o a c i dr e l e a s e d f r o m c o r t i c a l a f f e r e n t s , a n d t h e s u b s e q u e n t i n h i b i t o r y p o t e n t i a l r e s u l t si n d i r e c t l y f r o m r e c u r r e n t i n h i b i t i o n ( P a r k e t a l . 1 9 8 0 ) .T h e e f f e r e n t f i b r e s f r o m t h e medium s p i n y n e u r o n e s p r o j e c t t o t h e g l o b u s p a l l i d u s(Kemp & P o w e l l 1 9 7 1 d ; W a l a a s & O u i m e t , 1 9 8 9 ) a n d s u b s t a n t i a n i g r a (Kemp &P o w e l l , 1 9 7 1 c ; G e r f e n , 1 9 8 5 ) . H o w e v e r , t h e e l e c t r o p h y s i o l o g i c a l e v i d e n c e f o r

5 3 4



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RAT STRIATAL NEURONESe s t a b l i s h i n g t h e medium s p i n y n e u r o n e s a s t h e m a j o r c l a s s o f n e u r o n e p r o j e c t i n gf r o m t h e s t r i a t u m i s s t i l l s o m e w h a t weak b e c a u s e i n v i v o s t u d i e s f o u n d t h a t l e s s t h a n3 % o f t h e s t r i a t a l n e u r o n e s c o u l d b e e x c i t e d a n t i d r o m i c a l l y ( F u l l e r , H u l l &B u c h w a l d , 1 9 7 5 ; K o c s i s , S u g i m o r i & K i t a i , 1 9 7 7 ; P r e s t o n e t a l . 1 9 8 0 ) . T h e s y n a p t i cc o n n e c t i o n s a n d t r a n s m i t t e r s u s e d b y t h e f i v e d i f f e r e n t t y p e s o f n e u r o n e s o t h e r t h a nt h e medium s p i n y n e u r o n e s a r e l a r g e l y u n k n o w n , a n d t h e b a s i c e l e c t r i c a l p r o p e r t i e so f t h e s e d i f f e r e n t t y p e s o f n e u r o n e s h a v e n o t b e e n e x t e n s i v e l y s t u d i e d .T h e p u r p o s e o f t h e p r e s e n t e x p e r i m e n t s w a s t o d e t e r m i n e w h e t h e r s t r i a t a ln e u r o n e s c o u l d b e f u r t h e r d i s t i n g u i s h e d i n t o s u b t y p e s b y t h e i o n i c c u r r e n t s t h a t t h e ye x h i b i t a n d t h e s y n a p t i c i n p u t s t h a t t h e y r e c e i v e . I n t r a c e l l u l a r r e c o r d i n g s i n v i t r ow e r e made f r o m c e l l s i n a n o b l i q u e s l i c e o f r a t s t r i a t u m s o t h a t a d j a c e n t c o r t e x a n dp a l l i d u m c o u l d b e e l e c t r i c a l l y s t i m u l a t e d . W h o l e - c e l l r e c o r d i n g w a s u s e d i n s o m ee x p e r i m e n t s s o t h a t t h e r e v e r s a l p o t e n t i a l s o f s y n a p t i c c u r r e n t s c o u l d b e m e a s u r e dm o r e r e a d i l y t h a n w i t h c o n v e n t i o n a l i n t r a c e l l u l a r m i c r o e l e c t r o d e s . A p r e l i m i n a r yr e p o r t h a s a p p e a r e d J i a n g & N o r t h , 1 9 9 0 ) .

METHODST i s s u e p r e p a r a t i o n

M a l e S p r a g u e - D a w l e y r a t s w e r e a n a e s t h e t i z e d w i t h h a l o t h a n e a n d k i l l e d b y a h e a v y b l o w t o t h ec h e s t t h a t s e v e r e d m a j o r b l o o d v e s s e l s . T h e b r a i n w a s q u i c k l y r e m o v e d a n d s l i c e s ( t h i c k n e s s3 0 0 - 4 0 0 s u m ) w e r e c u t w i t h a v i b r a t o m e i n c o l d ( 1 - 4 C ) p h y s i o l o g i c a l s a l i n e . An e f f o r t w a s madet o p r e s e r v e l o n g e r c o u r s e s o f c o r t i c o s t r i a t a l i n p u t f i b r e s ( W e b s t e r , 1 9 6 1 ) a n d t h e s t r i a t a l p r o j e c t i n gf i b r e s t o g l o b u s p a l l i d u s a n d s u b s t a n t i a n i g r a ( V o n e i d a , 1 9 6 0 ; P r e s t o n e t a l . 1 9 8 0 ; B i s h o p , C h a n g& K i t a i , 1 9 8 2 ) b y c u t t i n g s l i c e s o b l i q u e l y , 3 0 d e g r o s t r a l - u p t o t h e h o r i z o n t a l p l a n e ( F i g . 1 ) . A s i n g l es l i c e w a s m o u n t e d b e t w e e n t w o n y l o n m e s h e s i n a t i s s u e b a t h , w h e r e i t w a s t o t a l l y i m m e r s e d i n ap h y s i o l o g i c a l s o l u t i o n f l o w i n g a t 2 m l / m i n a n d m a i n t a i n e d a t 3 6 ' C . T h e s o l u t i o n c o n t a i n e d ( m M ) :N a C l , 1 2 6 ; K C l , 2 - 5 ; N a H 2 P O 4 , 1 - 2 ; M g C l 2 , 1 - 3 ; C a C l 2 , 2 - 4 ; g l u c o s e , 1 0 ; N a H 2 C O 3 , 2 6 a n d w a ss a t u r a t e d w i t h 9 5% 0 2 a n d 5% C 0 2 . When C o C l 2 w a s a d d e d t o t h e s o l u t i o n , NaH2PO4 w a so m i t t e d .H i g h - r e s i s t a n c e m i c r o e l e c t r o d e r e c o r d i n g

N e u r o n e s l o c a t e d i n t h e r o s t r a l o n e - t h i r d o f s t r i a t u m w e r e i m p a l e d w i t h g l a s s m i c r o e l e c t r o d e sc o n t a i n i n g p o t a s s i u m c h l o r i d e ( 2 M ) ( r e s i s t a n c e 5 0 - 1 5 0 M Q ) . I n s o m e c a s e s , p o t a s s i u m a c e t a t e( 2 M ) , b i o c y t i n ( 2 %) i n p o t a s s i u m c h l o r i d e ( 1 M ) , o r b i o c y t i n ( 2 %) i n p o t a s s i u m a c e t a t e ( 1 M ) w a su s e d . Membrane p o t e n t i a l o r c u r r e n t w a s r e c o r d e d w i t h a n A x o c l a m p 2A p r e a m p l i f i e r . F o r v o l t a g ec l a m p , t h e a m p l i f i e r s w i t c h e d b e t w e e n c u r r e n t p a s s i n g a n d v o l t a g e s e n s i n g a t 2 - 3 kH z ( 2 5 % d u t yc y c l e ) . T h e m e m b r a n e v o l t a g e a n d c u r r e n t w e r e r e c o r d e d o n a c h a r t - r e c o r d e r ( G o u l d 2 4 0 0 ) w i t hl i n e a r f r e q u e n c y r e s p o n s e b e t w e e n 0 a n d 6 0 H z . A c t i o n p o t e n t i a l s a n d s y n a p t i c p o t e n t i a l s w e r ea l s o r e c o r d e d o n a d i g i t a l s t o r a g e o s c i l l o s c o p e a t 1 0 0 0 p o i n t s p e r s w e e p ( T e k t r o n i x 2 2 3 0 ) . A h a r dc o p y w a s t h e n made o n a n X- Y r e c o r d e r ( M o d e l 2 0 0 , T h e R e c o r d e r C o m p a n y ; f r e q u e n c y r e s p o n s e0 - 6 H z ) . I n p r a c t i c e , t h e 1 0 - 9 0 % r i s e t i m e o f t h e p e n - r e c o r d e r r e q u i r e d f o u r d i g i t i z e d p o i n t s .S t e a d y - s t a t e c u r r e n t - v o l t a g e c u r v e s w e r e c o n s t r u c t e d d i r e c t l y o n t h e X- Y r e c o r d e r u s i n g s l o wd e p o l a r i z i n g r a m p p o t e n t i a l s : i n t h i s c a s e t h e ramp w a s s u f f i c i e n t l y s l o w ( 1 m V / s ) s o a s t o g i v e t h es a m e c u r r e n t a s t h a t m e a s u r e d a t t h e e n d o f a 1 o r 2 s s t e p .T i g h t - s e a l w h o l e - c e l l r e c o r d i n gT i g h t - s e a l w h o l e - c e l l r e c o r d i n g s w e r e made w i t h g l a s s m i c r o e l e c t r o d e s h a v i n g i n i t i a l t i pr e s i s t a n c e s o f 5 - 1 0 M Q , u s u a l l y r i s i n g t o 1 0 - 2 0 MQ i n t h e w h o l e - c e l l c o n f i g u r a t i o n . T h e y c o n t a i n e d( m M ) : c a e s i u m g l u c o n a t e , 1 4 0 ; N a C l , 1 0 ; C a C l 2 , 1 ; M g C l 2 , 1 ; HEPES, 1 0 ; EGTA, 1 1 ; A T P , 1 - 5 a n dG T P , 0 - 3 . I n s o m e e x p e r i m e n t s , p o t a s s i u m g l u c o n a t e was u s e d i n p l a c e o f c a e s i u m g l u c o n a t e .E l e c t r o d e s w e r e a d v a n c e d i n t o t h e t i s s u e w i t h o u t v i s u a l i z a t i o n o f i n d i v i d u a l n e u r o n e s ( s e e B l a n t o n ,L o T u r c o & K r i e g s t e i n , 1 9 8 9 ) . S e a l r e s i s t a n c e s w e r e t y p i c a l l y 2 - 5 GQ b e f o r e r u p t u r e b y s u c t i o n .

5 3 5



4/21

Z . - G . JIANG AND R . A . NORTHW h o l e - c e l l c u r r e n t s w e r e r e c o r d e d a s d e s c r i b e d a b o v e , e x c e p t t h a t s a m p l i n g r a t e s o f 1 5 - 3 5 k Hzw e r e u s e d . T h e v a l u e s o f membrane p o t e n t i a l w e r e c o r r e c t e d f o r t h e l i q u i d j u n c t i o n p o t e n t i a lp r e s e n t p r i o r t o m a k i n g a g i g a s e a l .E l e c t r i c a l s t i m u l a t i o n

N e r v e s i n t h e t i s s u e w e r e s t i m u l a t e d e l e c t r i c a l l y b y a b i p o l a r c o n c e n t r i c e l e c t r o d e ( R h o d e sM e d i c a l I n s t r u m e n t s ) , t h e t i p o f w h i c h w a s p l a c e d i n c o n t a c t w i t h t h e s l i c e s u r f a c e i n o n e o f t h r e ea r e a s . F i r s t , t o a c t i v a t e t h e c o r t i c a l i n p u t s t h e e l e c t r o d e was p l a c e d o n t h e c o r p u s c a l l o s u m o r

V e n t r i c u l u s C o r p u s c a l l o s u m

N . a m u d a a t e e n r a i

t Y! ')


5/21

RAT STRIATAL NEURONES 5 3 7s t r e p t a v i d i n ( b o t h i n 1 : 3 0 0 d i l u t i o n , J a c k s o n I m m u n o R e s e a r c h L a b o r a t o r y ) o v e r n i g h t . T h ef l u o r e s c e i n - s t a i n e d s l i c e s w e r e r i n s e d a n d mounted f o r o b s e r v a t i o n i m m e d i a t e l y a f t e r t h ei n c u b a t i o n . T h o s e t r e a t e d w i t h p e r o x i d a s e w e r e r e a c t e d w i t h d i a m i n o b e n z i d i n e t e t r a h y d r o c h l o r i d e( 0 5 m g / m l ) a n d H 2 0 2 ( 0 0 1 % ) i n T r i s ( 0 1 M , p H 7 - 6 ) , a n d m o u n t e d f o r p e r m a n e n t s t o r a g e a n dm i c r o s c o p i c o bs e r va t i o n . L a b e l l e d c e l l s w e r e e i t h e r p h o t o g r a p h e d o r d r a w n f r o m i n d i v i d u a ls e c t i o n s a t 2 5 0 x o r 4 0 0 x w i t h a L e i t z m i c r o s c o p e a n d a c a m e r a l u c i d a .

RESULTST h e r e s u l t s a r e b a s e d on c o n v e n t i o n a l ( h i g h - r e s i s t a n c e ) m i c r o e l e c t r o d e r e c o r d i n g so f 2 6 8 n e u r o n e s : t h e s e w e r e c e l l s t h a t s h o w e d a s t a b l e r e s t i n g p o t e n t i a l a n d a n a c t i o n

p o t e n t i a l w i t h a m p l i t u d e l a r g e r t h a n 6 5 mV t h r o u g h o u t t h e p e r i o d o f r e c o r d i n g( 3 0 min t o 9 h ) . W h o l e - c e l l r e c o r d i n g s f r o m e i g h t y - e i g h t n e u r o n e s w e r e m a d e ; whent h e e l e c t r o d e c o n t a i n e d p o t a s s i u m g l u c o n a t e , t h e p r o p e r t i e s o f t h e c e l l s w e r e s i m i l a rt o t h o s e o b s e r v e d w i t h t h e h i g h - r e s i s t a n c e e l e c t r o d e s . Th e r e s u l t s p r e s e n t e d p e r t a i nt o o b s e r v a t i o n s made w i t h h i g h - r e s i s t a n c e e l e c t r o d e s e x c e p t w h e r e e x p l i c i t l y s t a t e d .

A B C1 0 0

A )0C DEz

E 0 _ X 1 2 0 mV- 1 1 0 - 1 0 0 - 9 0 - 8 0 - 7 0 - 6 0 - 5 0 1 0 m s 1 0 0 msR e s t i n g p o t e n t i a l ( m V )

F i g . 2 . V o l t a g e r e c o r d i n g s d i s t i n g u i s h t w o t y p e s o f n e u r o n e . A , d i s t r i b u t i o n o f r e s t i n gmembrane p o t e n t i a l s o f 2 6 8 s t r i a t a l n e u r o n e s . C o n t i n u o u s l i n e i s l e a s t - s q u a r e s f i t t o t h es um o f two G a u s s i a n f u n c t i o n s . B , i n a p r i n c i p a l c e l l , t h e a m p l i t u d e o f h y p e r p o l a r i z i n ge l e c t r o t o n i c p o t e n t i a l s d o e s n o t i n c r e a s e l i n e a r l y w i t h t h e c u r r e n t p a s s e d ( h y p e r p o l a r i z i n gc u r r e n t s w e r e 0 - 2 , 0 5 , 0 - 8 , 1 - 1 a n d 1 - 4 n A ; d e p o l a r i z i n g c u r r e n t s w e r e 0 - 2 , 0 5 , 0 - 8 , l - l , 1 - 4a n d 1 - 7 n A ) . R e s t i n g p o t e n t i a l -91 mV. C , i n a s e c o n d a r y c e l l , l a r g e r h y p e r p o l a r i z i n ge l e c t r o t o n i c p o t e n t i a l s d e c l i n e a f t e r t h e f i r s t 5 0 m s ( h y p e r p o l a r i z i n g c u r r e n t s w e r e 0 1 , 0 - 2 ,0 3 a n d 0 - 4 n A ; d e p o l a r i z i n g c u r r e n t wa s 0 1 n A ) . R e s t i n g p o t e n t i a l - 60 mV. H i g h -r e s i s t a n c e m i c r o e l e c t r o d e s u s e d . I n B a n d C , t r a c e s a r e a v e r a g e s o f f o u r , e x c e p t f o r t h ed e p o l a r i z i n g e l e c t r o t o n i c p o t e n t i a l t h a t g a v e r i s e t o a c t i o n p o t e n t i a l s . T h e f u l l h e i g h t o ft h e a c t i o n p o t e n t i a l s i s n o t r e p r o d u c e d ; t h e r e c o r d was e f f e c t i v e l y l o w - p a s s f i l t e r e d b yp l a y b a c k o n t o a n X- Y r e c o r d e r ( 1 0 - 9 0 % r i s e t i m e 0 - 8 ms i n B a n d 4 ms i n A ) .

Two t y p e s o f n e u r o n eTwo t y p e s o f n e u r o n e w e r e n o t i c e d d u r i n g t h e s e r e c o r d i n g s ( F i g . 2 ) ; t h e r e wa s no

i n d i c a t i o n t h a t t h e y w e r e d i f f e r e n t i a l l y l o c a t e d w i t h i n t h e t i s s u e s l i c e s u s e d .T h e g r e a t m a j o r i t y ( p r i n c i p a l c e l l s : 2 5 7 o f 2 6 8 c e l l s , 9 6 %) o f n e u r o n e s w e r e h i g h l y

p o l a r i z e d ( r e s t i n g p o t e n t i a l - 8 9 - 2 + 1 1 0 mV, n = 2 0 0 ; t h e s e a n d o t h e r n u m e r i c a l d a t aa r e p r e s e n t e d a s m e a n s + S . E . M . f o r t h e s u b s e t o f c e l l s i n w h i c h q u a n t i t a t i v em e a s u r e m e n t s w e r e m a d e ) . T h e s e c e l l s h a d l o w i n p u t r e s i s t a n c e s ( 3 8 - 7 + 1 - 5 M Q, n =



6/21

Z . - G . JIANG AND R . A . NORTH2 0 0 ) when m e a s u r e d a t t h e r e s t i n g p o t e n t i a l f r o m t h e a m p l i t u d e o f s m a l l ( < 1 0 mV)h y p e r p o l a r i z i n g e l e c t r o t o n i c p o t e n t i a l s . A l l t w e n t y - f i v e c e l l s s t u d i e d w i t h v o l t a g ec l a m p s h o w e d p r o m i n e n t i n w a r d r e c t i f i c a t i o n i n t h e s t e a d y - s t a t e c u r r e n t - v o l t a g er e l a t i o n ( F i g . 3 ) ; t h e s l o p e c o n d u c t a n c e w a s 1 0 0 + 1 - 4 n S a t * - 6 5 mV a n d 9 9 - 5 + 8 - 1 n S

A J U 1 1 n A

1

- 1 3 0 - 9 0 - 5 0 sP o t e n t i a l ( m V ) (

- 2

- 3F i g . 3 . I n w a r d r e c t i f i c a t i o n o f p o t a s s i u m c o n d u c t a n c e ( I K , I R ) i n p r i n c i p a l c e l l s . A , i n w a r dr e c t i f i c a t i o n i s a p p a r e n t f r o m membrane c u r r e n t s ( l o w e r t r a c e s , I ) e v o k e d b y p o t e n t i a ls t e p s ( u p p e r t r a c e s , V ) . H o l d i n g p o t e n t i a l wa s r e s t i n g p o t e n t i a l , - 9 9 mV. T r a c e sr e p r o d u c e d f r o m G o u l d p e n - r e c o r d e r . B , c u r r e n t - v o l t a g e r e l a t i o n f o r t y p i c a l p r i n c i p a l c e l l .P o i n t s i n d i c a t e membrane c u r r e n t a t t e r m i n a t i o n o f 1 s v o l t a g e command t o t h e p o t e n t i a li n d i c a t e d ( s a m e d a t a a s i n A ) . C o n t i n u o u s l i n e s a r e f r o m a n X- Y r e c o r d e r , a n d s h o wmembrane c u r r e n t i n r e s p o n s e t o a d e p o l a r i z i n g v o l t a g e ramp ( 1 m V / s ) . I n c r e a s e i n t h ee x t r a c e l l u l a r p o t a s s i u m c o n c e n t r a t i o n t o 5 a n d 1 0 mm s t r o n g l y d e p o l a r i z e s t h e c e l l ,i n c r e a s e s c o n d u c t a n c e a n d s h i f t s p o s i t i v e l y t h e p o t e n t i a l a t w h i c h t h e i n f l e x i o n o c c u r s i nt h e c u r r e n t - v o l t a g e p l o t . B a r i u m ( 3 / M ) much r e d u c e s t h e i n w a r d r e c t i f i c a t i o n . H i g h -r e s i s t a n c e m i c r o e l e c t r o d e s u s e d .

a t - 1 2 0 mV ( n = 2 5 ) . W h e n c u r r e n t s w e r e e v o k e d b y h y p e r p o l a r i z i n g commands t e p s , t h e r e w a s n o d e t e c t a b l e t i m e - d e p e n d e n t c o m p o n e n t ; t h u s t h e r e c t i f i c a t i o nd e v e l o p s w i t h i n t h e s e t t l i n g t i m e o f t h e s i n g l e - e l e c t r o d e v o l t a g e - c l a m p a m p l i f i e r( 2 0 - 5 0 m s ) . B a r i u m ( 3 , M ) r e d u c e d t h e i n w a r d r e c t i f i c a t i o n ( n = 4 ) ( F i g . 3 ) . H i g h e rp o t a s s i u m c o n c e n t r a t i o n s ( 5 a n d 1 0 mm i n s t e a d o f 2 - 5 mm) s h i f t e d t o a l e s s n e g a t i v ev a l u e t h e p o t e n t i a l a t w h i c h t h e c o n d u c t a n c e i n c r e a s e o c c u r r e d ( F i g . 3 ) . I n a l l t h e s er e s p e c t s , t h e i n w a r d r e c t i f i c a t i o n w a s s i m i l a r t o t h a t s e e n i n o l f a c t o r y c o r t e x c e l l s b yC o n s t a n t i & G a l v a n ( 1 9 8 3 ) a n d d e s c r i b e d i n d e t a i l f o r c e l l s o f t h e r a t n u c l e u s

5 3 8



7/21

RAT STRIATAL NEURONES 5 3 9a c c u m b e n s ( U c h i m u r a , C h e r u b i n i & N o r t h , 1 9 8 9 ) ; t h e y i d e n t i f y i t a s t h e i n w a r d l yr e c t i f y i n g p o t a s s i u m c u r r e n t ( I K , I R ) .T h e r e m a i n i n g e l e v e n c e l l s ( s e c o n d a r y c e l l s : 4% ) h a d o b v i o u s l y l o w e r r e s t i n gp o t e n t i a l s ( - 6 0 - 0 + 10 mV) a n d h i g h e r i n p u t r e s i s t a n c e s ( 1 1 7 + 2 2 M Q ) . T h e

A BC o n t r o l 4 0 mV

Iv-~B a r i m m _ 1 A

2 s

Wash _ ~ ~ ~ ~ ~ ~1 1 0 - 9 0 * - 0 c

C a e s i u m P o t e n t i a l ( m V )D ~ ~ ~ ~ ~ ~ C a e s i u m /

Wash -n A1 2 0 mV/ o n t r o l1 0 0 m s - - 2

F i g . 4 . C a t i o n c u r r e n t a c t i v a t e d b y h y p e r p o l a r i z a t i o n ( I h ) i n s e c o n d a r y c e l l s . A , v o l t a g er e c o r d i n g s s h o w m a r k e d s a g i n h y p e r p o l a r i z i n g e l e c t r o t o n i c p o t e n t i a l s ; t h i s was l i t t l ea f f e c t e d b y b a r i u m ( 1 0 0 , U M ) b u t c o m p l e t e l y b l o c k e d b y c a e s i u m ( 2 m M ) . B , membranec u r r e n t ( l o w e r t r a c e s , I ) i n r e s p o n s e t o p o t e n t i a l commands ( u p p e r t r a c e s , V ) ; h o l d i n gp o t e n t i a l w a s r e s t i n g p o t e n t i a l , - 62 mV. N o t e s l o w i n w a r d c u r r e n t r e l a x a t i o n w i t hh y p e r p o l a r i z i n g c o m m a n d s . C , c u r r e n t - v o l t a g e r e l a t i o n f o r t h e s e c o n d a r y c e l l . F i l l e d a n do p e n c i r c l e s s h o w c u r r e n t s a t b e g i n n i n g a n d e n d o f command p u l s e . C o n t i n u o u s l i n e s a r ec u r r e n t - v o l t a g e p l o t s f r o m a n X- Y r e c o r d e r u s i n g a d e p o l a r i z i n g ramp ( 1 m V / s ) , i nc o n t r o l s o l u t i o n a n d i n c a e s i u m ( 2 m M ) . C a e s i u m b l o c k e d t h e s l o w l y d e v e l o p i n g i n w a r dc u r r e n t . H i g h - r e s i s t a n c e m i c r o e l e c t r o d e s u s e d .h y p e r p o l a r i z i n g e l e c t r o t o n i c p o t e n t i a l d e c l i n e d a f t e r a b o u t t h e f i r s t 1 0 0 m s ( F i g s 2a n d 4 ) ; t h e r e f o r e , t h e i n p u t r e s i s t a n c e v a l u e s w e r e c a l c u l a t e d f r o m t h e p e a ka m p l i t u d e o f t h e e l e c t r o t o n i c p o t e n t i a l e v o k e d b y a 0 5 n A c u r r e n t p u l s e . T h i s d e c l i n ei n t h e e l e c t r o t o n i c p o t e n t i a l was b l o c k e d b y c a e s i u m ( 2 mm) b u t u n a f f e c t e d b yb a r i u m ( 1 0 0 / t M ) ( F i g . 4 ) . H y p e r p o l a r i z i n g s t e p s f r o m t h e h o l d i n g p o t e n t i a l ( a b o u t- 60 mV) i n d u c e d a s l o w i n w a r d c u r r e n t f o l l o w i n g t h e i n s t a n t a n e o u s c u r r e n t j u m p( F i g . 4 ) . T h e t i m e c o u r s e o f t h e d e v e l o p m e n t o f t h e i n w a r d c u r r e n t wa s more r a p i d



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Z . - G . JIANG AND R . A . NORTHw i t h l a r g e r h y p e r p o l a r i z i n g p u l s e s . E x t r a p o l a t i o n o f t h e i n s t a n t a n e o u s a n d s t e a d y -s t a t e c u r r e n t - v o l t a g e r e l a t i o n ( s e e M a y e r & W e s t b r o o k , 1 9 8 3 ; L a c e y & N o r t h , 1 9 8 8 )i n d i c a t e d a r e v e r s a l p o t e n t i a l f o r t h e t i m e - d e p e n d e n t c o m p o n e n t o f b e t w e e n - 30a n d - 4 0 mV ( n = 3 ) . B a r i u m ( 5 0 - 1 0 0 J a M , n = 3 ) d i d n o t a f f e c t t h e s l o w l yd e v e l o p i n g i n w a r d c u r r e n t , b u t i t w a s r e v e r s i b l y b l o c k e d b y c a e s i u m ( 2 mm, n = 3 ) .T h e s e f i n d i n g s a r e s u f f i c i e n t t o i d e n t i f y t h e c u r r e n t a s I h ( M a y e r & W e s t b r o o k , 1 9 8 3 :a s i m i l a r c u r r e n t w a s d e s i g n a t e d I Q b y H a l l i w e l l & A d a m s , 1 9 8 2 ) .T h e p r o p e r t i e s o f t h e c e l l s w e r e b a s i c a l l y s i m i l a r w i t h t i g h t - s e a l , w h o l e - c e l lr e c o r d i n g . W h e n e l e c t r o d e s c o n t a i n e d c a e s i u m g l u c o n a t e , t h e r e s t i n g p o t e n t i a l w a si n i t i a l l y a b o u t - 8 0 mV, t h e i n p u t r e s i s t a n c e a b o u t 2 0 MQ a n d t h e c u r r e n t -v o l t a g er e l a t i o n s h o w e d i n w a r d r e c t i f i c a t i o n a s d e s c r i b e d a b o v e . Th e i n w a r d r e c t i f i c a t i o n w a sf u l l y d e v e l o p e d b y t h e e n d o f t h e c a p a c i t a t i v e t r a n s i e n t , w h i c h w a s t y p i c a l l y1 0 - 2 0 ms i n d u r a t i o n ( n = 2 2 ) . T h e c e l l d e p o l a r i z e d t o a b o u t - 2 0 mV d u r i n g t h e f i r s t3 0 m i n a f t e r b e g i n n i n g w h o l e - c e l l r e c o r d i n g a n d t h e r e c t i f i c a t i o n d i s a p p e a r e d ; t h ei n p u t c o n d u c t a n c e a t t h i s t i m e w a s 5 - 1 0 n S . I n s i x e x p e r i m e n t s , e l e c t r o d e s c o n t a i n e dp o t a s s i u m g l u c o n a t e ; t h e r e s t i n g p o t e n t i a l w a s b e t w e e n - 9 0 a n d - 70 mV, t h e i n p u tr e s i s t a n c e a n d t h e i n w a r d r e c t i f i c a t i o n w e r e s i m i l a r t o t h o s e s e e n w i t h f i n e - t i p p e dm i c r o e l e c t r o d e s , a n d t h e s e p r o p e r t i e s s h o w e d n o o b v i o u s c h a n g e s d u r i n g r e c o r d i n g sf o r 3 0 - 1 0 0 m i n . O n e s e c o n d a r y c e l l s t u d i e d w i t h w h o l e - c e l l r e c o r d i n g h a d a s t a b l er e s t i n g p o t e n t i a l o f - 60 mV a n d s h o w e d t y p i c a l I h .A s h o r t ( 2 - 5 m s ) d e p o l a r i z i n g c u r r e n t p u l s e w i t h s u f f i c i e n t i n t e n s i t y ( t y p i c a l l y1 - 5 - 3 - 5 n A f o r p r i n c i p a l c e l l s a n d 2 0 0 - 8 0 0 p A f o r s e c o n d a r y c e l l s ) e l i c i t e d a n a c t i o np o t e n t i a l . T h e t h r e s h o l d p o t e n t i a l f o r s p i k e i n i t i a t i o n was - 5 7 - 6 + 2 1 mV ( r a n g e- 51 t o - 68 mV) f o r p r i n c i p a l n e u r o n e s ( n = 1 2 ) a n d - 5 5 8 + I 1 mV f o r s e c o n d a r yn e u r o n e s ( n = 4 , r a n g e - 54 t o - 58 m V ) . T h e a m p l i t u d e o f t h e a c t i o n p o t e n t i a l w a s1 0 2 + 1 - 8 mV ( n = 2 3 ) a n d 6 9 - 6 + 2 - 2 mV ( n = 7 ) i n p r i n c i p a l a n d s e c o n d a r y c e l l sr e s p e c t i v e l y , a n d t h e d u r a t i o n a t h a l f - a m p l i t u d e w a s 0 - 8 3 + 0 0 4 a n d 0 - 6 4 + 0 ' 0 4 ms i nt h e s a m e g r o u p s o f c e l l s . T h e s e v a l u e s a r e n o t s i g n i f i c a n t l y d i f f e r e n t ( u n p a i r e d t t e s t ,P > 0 0 5 ) .A f t e r - p o t e n t i a l s f o l l o w e d t h e a c t i o n p o t e n t i a l s i n c e l l s o f b o t h t y p e s . I n p r i n c i p a lc e l l s ( a t r e s t i n g p o t e n t i a l , n = 3 0 ) , t h e s p i k e a f t e r - p o t e n t i a l w a s d e p o l a r i z i n g ; t h ea m p l i t u d e w a s 1 9 - 7 + 0 - 9 mV a n d t h e d u r a t i o n w a s 2 7 - 4 + 2 9 m s . I n s e c o n d a r y c e l l s ,t h e a f t e r - p o t e n t i a l w a s h y p e r p o l a r i z i n g , w i t h a m p l i t u d e 8 - 4 + 0 - 8 mV a n d d u r a t i o n470+ 1 2 6 ms ( n = 7 ) .A c c o m m o d a t i o n w a s n o t m a r k e d i n p r i n c i p a l c e l l s . D e p o l a r i z i n g c u r r e n t p u l s e s( 0 1 - 1 s ) e v o k e d s u s t a i n e d f i r i n g a t u p t o 4 0 0 H z ( n = 7 ) . H o w e v e r , t h e m a x i m u mf r e q u e n c y o f f i r i n g o b s e r v e d i n s e c o n d a r y c e l l s w a s o n l y 8 0 H z , a n d i n m a n y c a s e s ad e p o l a r i z i n g c u r r e n t p u l s e e v o k e d o n l y a s i n g l e s p i k e a t i t s o n s e t . S p o n t a n e o u sr e p e t i t i v e f i r i n g w a s n o t o b s e r v e d i n p r i n c i p a l n e u r o n e s b u t o c c u r r e d i n f o u r o f t h ee l e v e n s e c o n d a r y c e l l s ( a t a b o u t 0 5 H z ) ; s u c h s p o n t a n e o u s a c t i o n p o t e n t i a l s l a s t e dt h r o u g h o u t t h e r e c o r d i n g s ( 0 5 t o 3 - 5 h ) a n d w e r e n o t a f f e c t e d b y CNQX a n d APV( s e e b e l o w ) .

M o r p h o l o g y o f p r i n c i p a l c e l l sN i n e n e u r o n e s w e r e r e t r i e v e d f o r h i s t o l o g i c a l o b s e r v a t i o n s a f t e r t h e y h a d p r o v i d e ds a t i s f a c t o r y i n t r a c e l l u l a r r e c o r d i n g s ; a n e x a m p l e i s s h o w n i n F i g . 5 A . A l l h a dmembrane p r o p e r t i e s t y p i c a l o f p r i n c i p a l c e l l s , a n d f i v e o f t h e m w e r e e x c i t e d

5 4 0



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RAT STRIATAL NEURONESa n t i d r o m i c a l l y b y s t i m u l a t i o n o f t h e g l o b u s p a l l i d u s o r i n t e r n a l c a p s u l e ( s e e b e l o w ) .T h e c e l l s h a d a p o l y g o n a l o r f u s i f o r m soma (maximum d i a m e t e r 1 0 - 2 0 j t m ) w i t h as m o o t h s u r f a c e , g i v i n g r i s e t o f o u r t o s i x p r i m a r y a s p i n y d e n d r i t e s r a d i a t i n g i nv a r i o u s d i r e c t i o n s . T h e s e c o n d a r y a n d h i g h e r o r d e r b r a n c h e s w e r e o f t e n a b u n d a n t l y

AC

a 'b / _ 1 2 0 m VJ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~

1 0msB

1 mmD 1 0 0 g mC o n t r o l

W a s h

4 0 O m sC a 2 + f r e eF i g . 5 . A n t i d r o m i c a n d s y n a p t i c a c t i v a t i o n o f i d e n t i f i e d p r o j e c t i o n n e u r o n e . A , t h e c e l lw a s a n t i d r o m i c a l l y a c t i v a t e d b y s t i m u l a t i o n i n g l o b u s p a l l i d u s ( a ) a n d s y n a p t i c a l l ya c t i v a t e d b y s t i m u l a t i o n i n c o r p u s c a l l o s u m ( b ) . R e s t i n g p o t e n t i a l - 8 8 mV. B , c a m e r al u c i d a p i c t u r e o f t h e b r a i n s l i c e s h o w i n g t h e l o c a t i o n o f t h e t e s t e d n e u r o n e ( a r r o w ) a n d t h et w o s t i m u l a t i o n s i t e s u s e d . a a n d b s h o w l o c a t i o n o f s t i m u l a t i n g e l e c t r o d e s i n g l o b u sp a l l i d u s a n d c o r p u s c a l l o s u m r e s p e c t i v e l y . C , c a m e r a l u c i d a d r a w i n g o f t h e s a m e c e l lf o l l o w i n g i n t r a c e l l u l a r b i o c y t i n i n j e c t i o n a n d h o r s e r a d i s h p e r o x i d a s e s t a i n i n g . Soma s i z ew a s 1 3 x 8 , u m . N o t e n u m e r o u s s p i n e s ( a r r o w - h e a d s ) o n s e c o n d a r y d e n d r i t e s , a n d m a i na x o n ( a r r o w s ) e x t e n d i n g t o w a r d s t h e g l o b u s p a l l i d u s . T h e d a s h e d l i n e s s h o w t h e c o n t o u r so f f i b r e f a s c i c u l i . D , s y n a p t i c p o t e n t i a l i s b l o c k e d b y c a l c i u m - f r e e s o l u t i o n , i n a n o t h e rn e u r o n e . H i g h - r e s i s t a n c e m i c r o e l e c t r o d e s u s e d .

s t u d d e d w i t h s p i n e s a n d e x t e n d e d t o f i l l a s p h e r e 1 0 0 - 2 5 0 I u m i n r a d i u s . An a x o na r i s i n g f r o m t h e soma o r f r o m a p r i m a r y d e n d r i t e w a s o b s e r v e d i n s o m e c e l l s a n dc o u l d b e t r a c e d f o r 4 5 - 4 0 0 , t m : a x o n s s o m e t i m e s a r b o r i z e d e x t e n s i v e l y w i t h i n as p h e r e 2 0 0 - 3 0 0 , u m i n r a d i u s a r o u n d t h e s o m a .

5 4 1



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Z . - G . JIANG AND R . A . NORTHA n t i d r o m i c a c t i v a t i o n f r o m i n t e r n a l c a p s u l e o r p a l l i d u m

S t i m u l a t i o n ( s i n g l e p u l s e s o f 8 - 1 2 V , 1 0 0 , u s ) e v o k e d a n a n t i d r o m i c a c t i o n p o t e n t i a li n f i f t y - o n e o f s e v e n t y - n i n e p r i n c i p a l c e l l s t e s t e d ( F i g . 5A a n d B ) . T h e s t i m u l a t i n ge l e c t r o d e u s u a l l y h a d t o b e r e p o s i t i o n e d s e v e r a l t i m e s b e f o r e a n a n t i d r o m i c r e s p o n s ew a s e v o k e d ; h o w e v e r , s i m i l a r e f f o r t s t o e v o k e a n t i d r o m i c a c t i o n p o t e n t i a l s i n t h r e es e c o n d a r y c e l l s w e r e u n s u c c e s s f u l . A n t i d r o m i c s p i k e s a p p e a r e d i n a n a l l - o r - n o n em a n n e r a s t h e s t r e n g t h o f e l e c t r i c a l s t i m u l a t i o n w a s i n c r e a s e d : t h e y w e r e u n a f f e c t e db y c o b a l t ( 2 mM, n = 3 ) , w h i c h b l o c k e d s y n a p t i c p o t e n t i a l s ( s e e b e l o w ) . T h e a n t i -d r o m i c a c t i o n p o t e n t i a l c o u l d b e f r a c t i o n a t e d i n t o a n i n i t i a l s e g m e n t c o m p o n e n to r c o m p l e t e l y s u p p r e s s e d w i t h s t r o n g membrane h y p e r p o l a r i z a t i o n . I n d e e d , m a nyc e l l s w i t h h i g h r e s t i n g p o t e n t i a l s c o u l d o n l y b e a n t i d r o m i c a l l y a c t i v a t e d when ad e p o l a r i z i n g c u r r e n t w a s f i r s t a p p l i e d . T h e l a t e n c y o f t h e a n t i d r o m i c s p i k e m e a s u r e df r o m t h e o n s e t o f t h e s t i m u l u s a r t i f a c t t o t h e o n s e t o f t h e s p i k e r a n g e d f r o m 0 - 8 t o2 - 2 m s : i f t h e a x o n f o l l o w e d a s t r a i g h t c o u r s e f r o m t h e t i p o f t h e s t i m u l a t i n g e l e c t r o d et o t h e p o i n t o f t h e i n t r a c e l l u l a r e l e c t r o d e , t h e c o n d u c t i o n v e l o c i t y w o u l d b e0 - 5 - 1 P 2 m / s ( n = 8 ) .T h e a n t i d r o m i c a c t i o n p o t e n t i a l w a s f o l l o w e d b y a s l o w d e p o l a r i z a t i o n s i m i l a r i na l l r e s p e c t s t o t h e a f t e r - d e p o l a r i z a t i o n t h a t f o l l o w e d t h e a c t i o n p o t e n t i a l e v o k e d b yd i r e c t l y d e p o l a r i z i n g t h e c e l l . Even t h e f r a c t i o n a t e d a n t i d r o m i c s p i k e ( i n i t i a l s e g m e n ts p i k e ) was f o l l o w e d b y a n a f t e r - d e p o l a r i z a t i o n . T h i s s l o w d e p o l a r i z a t i o n w a s v o l t a g ed e p e n d e n t , i t s a m p l i t u d e b e i n g d e c r e a s e d b y c e l l d e p o l a r i z a t i o n a n d i n c r e a s e d b yh y p e r p o l a r i z a t i o n , a s f o r t h e d e p o l a r i z i n g a f t e r - p o t e n t i a l f o l l o w i n g a d i r e c t l y i n d u c e da c t i o n p o t e n t i a l . T h e a f t e r - d e p o l a r i z a t i o n w a s n o t r e d u c e d b y c o b a l t ( 2 m M , n = 4 )o r cadmium ( 1 0 0 / t M , n = 4 ) , s u g g e s t i n g t h a t i t d i d n o t i n c l u d e a s y n a p t i c a l l ym e d i a t e d c o m p o n e n t .

S y n a p t i c p o t e n t i a l s e v o k e d b y s t i m u l a t i n g c o r t i c o s t r i a t e f i b r e sS i n g l e p u l s e s t i m u l a t i o n o f c o r t i c o s t r i a t a l f i b r e s i n t h e c o r p u s c a l l o s u m o r e x t e r n a lc a p s u l e ( W e b s t e r , 1 9 6 1 ) e v o k e d i n m o s t c e l l s a d e p o l a r i z i n g p o t e n t i a l l a s t i n g2 0 - 1 5 0 ms ( s e v e n t y - e i g h t o f n i n e t y - o n e p r i n c i p a l , f o u r o f s i x s e c o n d a r y ) ( F i g s 5D a n d6 A ) . T h e l a t e n c y t o t h e o n s e t was 1 - 2 - 5 - 3 m s ; t h i s r e m a i n e d c o n s t a n t when t h ei n t e n s i t y o f t h e s t i m u l u s w a s a l t e r e d b u t b e c a m e s h o r t e r when t h e s t i m u l a t i n g

e l e c t r o d e was moved t o a p o i n t c l o s e r t o t h e r e c o r d i n g s i t e . From t h e r e l a t i o n b e t w e e nl a t e n c y a n d d i s t a n c e , t h e c o n d u c t i o n v e l o c i t y w a s e s t i m a t e d t o b e 0 4 9 + 0 0 5 ( r a n g e0 - 3 7 - 0 - 6 2 ) m / s ( n 4 ) . T h e l a t e n c y was a l s o n o t c h a n g e d w h e n t h e s t i m u l a t i o nf r e q u e n c y was v a r i e d f r o m 01 t o 5 0 H z ( n = 5 ) .T h e a m p l i t u d e o f t h e p o t e n t i a l r a n g e d f r o m 2 t o 2 4 mV, a n d w a s r e l a t e d t o t h ei n t e n s i t y o f s t i m u l a t i o n a n d t h e d i s t a n c e b e t w e e n t h e s t i m u l a t i n g a n d t h e r e c o r d i n gs i t e s . S t i m u l a t i o n o f t h e c o r t e x i n d u c e d a 0 - 5 - 2 mV d e p o l a r i z a t i o n i n t h r e e o f t w e n t yc e l l s t e s t e d a n d s t i m u l a t i o n o f t h e m i d - l i n e o f t h e c o r p u s c a l l o s u m , w h e r e c r o s s e dc o r t i c o s t r i a t a l f i b r e s w o u l d l i e , e v o k e d a 1 - 3 mV s y n a p t i c r e s p o n s e ( n = 5 ) . No s l o wc h a n g e s i n membrane p o t e n t i a l w e r e e v o k e d b y s i n g l e p u l s e s t i m u l i ( n = 2 0 0 ) o r e v e nb y s t i m u l i c o m p r i s i n g t r a i n s o f p u l s e s ( 2 - 3 2 H z , 2 - 5 s , n = 2 0 ) o f i n t e n s i t y g r e a t e rt h a n t h a t n e e d e d t o e v o k e a m a x i m a l f a s t s y n a p t i c p o t e n t i a lA s t i m u l u s c o m p r i s i n g a t r a i n o f p u l s e s ( 1 0 0 H z , 1 - 3 s ) i n d u c e d p o s t - t e t a n i c

5 4 2



11/21

RAT STRIATAL NEURONES 5 4 3p o t e n t i a t i o n . T h e s y n a p t i c p o t e n t i a l e v o k e d b y a s i n g l e p u l s e s t i m u l u s wa s i n c r e a s e db y 5 9 + 7 - 5 % ( n = 1 6 ) when m e a s u r e d 3 0 s a f t e r t h e t e r m i n a t i o n o f t h e t r a i n . I n f i v eo f t h e c e l l s t e s t e d , t h i s p o t e n t i a t i o n was s t i l l p r e s e n t a f t e r 1 0 m i n .T h e s y n a p t i c p o t e n t i a l w a s u n a f f e c t e d b y b i c u c u l l i n e ( 3 0 , t M ) a n d p i c r o t o x i n( 1 0 0 , U M ) ( n = 2 2 ) b u t r e v e r s i b l y b l o c k e d b y a c o m b i n a t i o n o f CNQX ( 1 0 / t M ) a n dA B i c u c u l l i n e A P V C N Q XB i c u c u l l i n e~~ ~ ~ ~ ~ a

a b c d 1 2 0 m V2 m i n

B i c u c u l l i n e A P V CNQXa v d ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ I l

1 0 mV2 0 m s

badC1 2 0 m V 'orn2 m i n 4 0 m s

APV + CNQX B i c u c u l l i n ea b HP-50 mV b

HP - 5 0 mV HP - 7 0 m V I 5 0 0 p A 8 L500pA2 0 0 s 2 0 m sF i g . 6 . A , s y n a p t i c p o t e n t i a l e v o k e d b y s t i m u l a t i o n o f c o r t i c o s t r i a t e f i b r e s i n t h e e x t e r n a lc a p s u l e . T h e s y n a p t i c p o t e n t i a l wa s n o t a f f e c t e d b y b i c u c u l l i n e ( 3 0 s M ) , b u t wa sc o m p l e t e l y b l o c k e d b y APV ( 3 0 # M ) a n d CNQX ( 1 0 / M ) . R i g h t m o s t t r a c e s h o w s s y n a p t i cp o t e n t i a l s r e c o r d e d a t f a s t e r s w e e p s p e e d a t t i m e s i n d i c a t e d ( a - d ) . R e s t i n g p o t e n t i a l- 95 mV; h i g h - r e s i s t a n c e m i c r o e l e c t r o d e . B , b o t h GABA a n d e x c i t a t o r y a m i n o a c i d sc o n t r i b u t e t o t h e s y n a p t i c p o t e n t i a l e v o k e d b y f o c a l s t i m u l a t i o n . U p p e r r e c o r d , s y n a p t i cp o t e n t i a l s w e r e e l i c i t e d b y s t i m u l a t i o n o f t h e s l i c e s u r f a c e w i t h i n t h e s t r i a t u m ( a b o u t2 0 0 , u m away f r o m t h e r e c o r d i n g s i t e ) . B i c u c u l l i n e ( 3 0 / t M ) r e d u c e d t h e a m p l i t u d e o f t h es y n a p t i c p o t e n t i a l s t o 67% o f c o n t r o l . T h e r e m a i n i n g s y n a p t i c p o t e n t i a l wa s l i t t l ea f f e c t e d b y APV ( 3 0 1 u M ) b u t c o m p l e t e l y b l o c k e d b y CNQX ( 1 0 # M ) . T h e downwardd e f l e c t i o n s a r e e l e c t r o t o n i c p o t e n t i a l s . R e s t i n g p o t e n t i a l - 8 8 mV; h i g h - r e s i s t a n c em i c r o e l e c t r o d e . R i g h t m o s t t r a c e s s h o w s y n a p t i c p o t e n t i a l s a t t h e t i m e s i n d i c a t e d ( a - d ) :a v e r a g e o f f o u r s w e e p s i s s h o w n i n e a c h c a s e . L o w e r r e c o r d , a s i m i l a r e x p e r i m e n t t o t h a ts h o w n a b o v e , b u t r e c o r d i n g w i t h w h o l e - c e l l t i g h t - s e a l e l e c t r o d e . F o c a l i n t r a - s t r i a t a ls t i m u l a t i o n . A t - 50 m V , t h e s y n a p t i c c u r r e n t was c o m p l e t e l y b l o c k e d b y APV ( 3 0 / Z M )a n d CNQX ( 1 0 / t M ) , b u t a t - 70 mV t h e r e s i d u a l GABA c o m p o n e n t b e c a m e a p p a r e n t .R i g h t m o s t t r a c e s s h o w s y n a p t i c c u r r e n t s a t t i m e s i n d i c a t e d .

APV ( 3 0 f z M ) ; t h e s e c o n c e n t r a t i o n s r e d u c e d t h e a m p l i t u d e b y 9 3 - 4 + 0 1 1 % o f c o n t r o l( n = 1 8 ) ( F i g . 6 A ) . W h e n a p p l i e d a l o n e , APV ( 3 0 / I M ) r e d u c e d t h e s y n a p t i c p o t e n t i a lb y 6 - 2 + 1 - 8 % ( n = 9 ) when t e s t e d a t t h e r e s t i n g p o t e n t i a l ( - 9 0 m V ) and b y1 0 - 8 + 3 0 % a t - 70 mV ( n = 7 ) . CNQX ( 1 0 l t M ) a l o n e r e d u c e d t h e s y n a p t i c p o t e n t i a l



12/21

Z . - G . JIANG AND R . A . NORTHb y 8 8 4 1 + 3 - 6 % o f c o n t r o l ( n = 6 ) a t t h e r e s t i n g p o t e n t i a l . T h e r e s i d u a l s y n a p t i cp o t e n t i a l ( i n t h e p r e s e n c e o f b o t h APV a n d C N Q X ) w a s g e n e r a l l y s m a l l(


13/21

RAT STRIATAL NEURONESt e s t e d w i t h e a c h o f t h e s e c o m p o u n d s ) . H o w e v e r , i t w a s a l m o s t c o m p l e t e l y s u p p r e s s e db y b i c u c u l l i n e ( 3 0 j t M ) a n d / o r p i c r o t o x i n ( 1 0 0 / t M ) ( n = 6 ) .S e c o n d a r y c e l l s c o u l d a l s o b e e x c i t e d s y n a p t i c a l l y b y l o c a l i n t r a s t r i a t e s t i m u l a t i o n( s e v e n o f t e n c e l l s t e s t e d ) . I n t w o c e l l s , t h e s y n a p t i c r e s p o n s e w a s s h o w n t o h a v ec o m p o n e n t s m e d i a t e d b o t h b y a n e x c i t a t o r y a m i n o a c i d a n d b y GABA: i n t w o o t h e rc e l l s , t h e r e w a s n o e f f e c t o f b i c u c u l l i n e . I t w a s much m o r e d i f f i c u l t t o e v o k e a n ys y n a p t i c p o t e n t i a l i n s e c o n d a r y c e l l s t h a n i n p r i m a r y c e l l s : t h r e e c e l l s c o u l d n o t b ee x c i t e d s y n a p t i c a l l y d e s p i t e s e v e r a l r e p o s i t i o n i n g s o f t h e s t i m u l a t i n g e l e c t r o d e , a n dwhen a r e s p o n s e w a s o b t a i n e d i t w a s g e n e r a l l y o f l o w e r a m p l i t u d e t h a n s e e n i np r i n c i p a l n e u r o n e s .

S y n a p t i c p o t e n t i a l s e v o k e d b y s t i m u l a t i o n o f p a l l i d u m o r i n t e r n a l c a p s u l eS t i m u l a t i o n o f t h e p a l l i d u m o r i n t e r n a l c a p s u l e , i n t h o s e c a s e s i n w h i c h a n

a n t i d r o m i c a c t i o n p o t e n t i a l d i d n o t o c c u r , p r o d u c e d a s y n a p t i c r e s p o n s e s i m i l a r t ot h a t e v o k e d b y f o c a l i n t r a s t r i a t a l s t i m u l a t i o n i n s i x o f t e n c e l l s . CNQX a n d APV, a sw e l l a s b i c u c u l l i n e , w e r e s i m i l a r l y e f f e c t i v e , a n d h e x a m e t h o n i u m , a t r o p i n e , s u l p i r i d e ,S C H 2 3 3 9 0 a n d I C S 2 0 5 9 3 0 w e r e w i t h o u t e f f e c t . S y n a p t i c p o t e n t i a l s w e r e n o to b s e r v e d i n s e c o n d a r y c e l l s .

T h e r e i s s o m e m o r p h o l o g i c a l a n d e l e c t r o p h y s i o l o g i c a l e v i d e n c e f o r f e e d b a c kc o l l a t e r a l i n h i b i t i o n o f s t r i a t a l o u t p u t n e u r o n e s , e i t h e r d i r e c t l y b a c k o n t o c e l l b o d i e so f t h e o u t p u t c e l l s o r o n t o e x c i t a t o r y t e r m i n a l s i n n e r v a t i n g t h o s e c e l l s ( R i b a k e t a l .1 9 7 9 ; P a r k e t a l . 1 9 8 0 ; F i s h e r e t a l . 1 9 8 6 ) . I t w a s h y p o t h e s i z e d t h a t s t i m u l a t i o n i n t h ep a l l i d u m m i g h t r e l e a s e s u f f i c i e n t GABA t o r e d u c e t h e a m p l i t u d e o f t h e e x c i t a t o r ys y n a p t i c i n p u t f r o m t h e c o r t e x . T h i s w a s t e s t e d i n t h e p r e s e n t s t u d y b y e v o k i n g t h ee x c i t a t o r y s y n a p t i c p o t e n t i a l a t d i f f e r e n t i n t e r v a l s a f t e r a s t i m u l u s t o t h e p a l l i d u m .T h e e x c i t a t o r y s y n a p t i c p o t e n t i a l w a s u n a f f e c t e d b y p a l l i d a l s t i m u l a t i o n e v e nt h o u g h t h e p a l l i d a l s t i m u l u s d i d e v o k e a f r a c t i o n a t e d a c t i o n p o t e n t i a l i n t h e c e l l b o d y( n = 3 ) .

E f f e c t o f m e m b r a n e p o t e n t i a l o n s y n a p t i c p o t e n t i a l s a n d c u r r e n t sG l u t a m a t e c o m p o n e n t

A s y n a p t i c p o t e n t i a l m e d i a t e d b y e x c i t a t o r y a m i n o a c i d w a s e v o k e d b y f o c a ls t i m u l a t i o n w i t h i n t h e s t r i a t u m i n t h e p r e s e n c e o f b i c u c u l l i n e ( 3 0 / t M ) a n d / o rp i c r o t o x i n ( 1 0 0 J t M ) , o r b y s t i m u l a t i o n o f t h e c o r t i c o s t r i a t a l i n p u t s i n t h e e x t e r n a lc a p s u l e ( s e e a b o v e ) . T h e s y n a p t i c p o t e n t i a l w a s r e d u c e d i n a m p l i t u d e a n d m a r k e d l ys l o w e d i n d e c a y b y d e p o l a r i z a t i o n f r o m t h e r e s t i n g p o t e n t i a l t o - 70 mV, p r e s u m a b l ya s a c o n s e q u e n c e o f t h e i n c r e a s e i n i n p u t r e s i s t a n c e t h a t o c c u r s i n t h i s p o t e n t i a l r a n g e( F i g . 3 ) . C e l l c o n d u c t a n c e r e m a i n e d c o n s t a n t b e t w e e n - 70 a n d - 50 mV, b u t t h es y n a p t i c p o t e n t i a l a m p l i t u d e c o n t i n u e d t o d e c l i n e ; e x t r a p o l a t i o n f r o m t h i s l i m i t e dr e g i o n a l l o w e d t h e r e v e r s a l p o t e n t i a l t o b e e s t i m a t e d a s - 2 5 - 5 + 6 1 mV ( n = 4 ) . I nt w o s i m i l a r e x p e r i m e n t s w i t h e l e c t r o d e s c o n t a i n i n g p o t a s s i u m a c e t a t e t h e v a l u e sw e r e - 26 a n d - 31 mV.T h e e x c i t a t o r y s y n a p t i c c u r r e n t m e a s u r e d w i t h w h o l e - c e l l r e c o r d i n g r e a c h e d i t sp e a k w i t h i n 3 - 8 + 0 - 1 6 ms a n d d e c a y e d e x p o n e n t i a l l y w i t h a t i m e c o n s t a n t o f5 - 0 + 0 - 4 m s ( n = 1 7 ; h o l d i n g p o t e n t i a l - 60 m V ) . T h e p e a k a m p l i t u d e was l i n e a r l yd e p e n d e n t o n membrane p o t e n t i a l a n d r e v e r s e d p o l a r i t y a t - 3 - 6 + 1 - 2 mV ( n = 3 2 )

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5 4 6 Z . - G . JIANG AND R . A . NORTH( F i g . 7 A - C ) . T h i s v a l u e w a s n o t s i g n i f i c a n t l y d i f f e r e n t when e l e c t r o d e s c o n t a i n e dp o t a s s i u m g l u c o n a t e . I n CNQX ( 1 0 t M ) , t h e i n w a r d s y n a p t i c c u r r e n t a t - 8 0 o r- 9 0 mV w a s c o m p l e t e l y b l o c k e d , b u t a s l e s s p o l a r i z e d p o t e n t i a l s a s m a l l e r a n ds l o w e r s y n a p t i c c u r r e n t b e c a m e a p p a r e n t w h i c h a l s o r e v e r s e d p o l a r i t y a t a b o u t

I A C o n t r o l B CNQX ( 1 0 g m )i 1 nA

+ 4 0 mV- 4 0 - 4 0 mV- __ _--- 1 2 0 50 mV

4 0 m sD

0 - 5 nA 1 nA- 7 0 - 5 0m>/- 1 0 l o0~~~~~0

- 0 . 5 - 1- 2

- 1

F i g . 7 . S y n a p t i c c u r r e n t s m e d i a t e d b y e x c i t a t o r y a m i n o a c i d e v o k e d b y s t i m u l a t i o n o fc o r t i c o s t r i a t a l f i b r e s . T i g h t - s e a l w h o l e - c e l l r e c o r d i n g w i t h e l e c t r o d e c o n t a i n i n g c a e s i u m .A , t h e c e l l was s t e p p e d f r o m t h e h o l d i n g p o t e n t i a l (-40 mV) t o d i f f e r e n t p o t e n t i a l s i n t h er a n g e -1 20 t o + 4 0 mV ( l o w e r t r a c e s ) . T h e r e s u l t a n t membrane c u r r e n t s a r e s h o w n i n t h eupper t r a c e s . A t t h e a r r o w, a s i n g l e p u l s e s t i m u l u s was a p p l i e d t o t h e e x t e r n a l c a p s u l e . B ,t h e same e x p e r i m e n t was r e p e a t e d i n CNQX ( 1 0 / e M ) . C , p e a k a m p l i t u d e o f s y n a p t i cc u r r e n t f r o m A a n d f r o m B a s f u n c t i o n o f p o t e n t i a l . L a r g e c u r r e n t s may b e u n d e r e s t i m a t e db e c a u s e o f p a r t i a l e s c a p e f r o m c l a m p ( s e e A ) . D , c u r r e n t - v o l t a g e r e l a t i o n f o r a n o t h e rneurone b e f o r e a n d a f t e r a d d i n g q u i s q u a l a t e ( 1 0 / t M ) t o t h e s o l u t i o n .

0mV. T h i s c u r r e n t p e a k e d i n 1 0 + 0 - 4 ms a n d d e c a y e d w i t h a t i m e c o n s t a n t o f1 1 1 + 8 4 1 ms ( n =1 0 ; h o l d i n g p o t e n t i a l + 4 0 m V ) . T h i s b e h a v i o u r i s t y p i c a l o f a d u a lNMDA a n d n o n -N M D A component t o t h e s y n a p t i c c u r r e n t , a s h a s b e e n d e s c r i b e d i ns e v e r a l o t h e r c e n t r a l n e u r o n e s ( C o l l i n g r i d g e & L e s t e r , 1 9 8 9 ) . Th e c u r r e n t s e v o k e d b ys u p e r f u s i o n w i t h g l u t a m a t e ( 3 0 0 o r 1 0 0 0 , t M ) , q u i s q u a l a t e ( 3 o r 1 0 f t M ) ( F i g . 6 D ) orNMDA ( 3 0 o r 1 0 0 / L M ) r e v e r s e d p o l a r i t y r e s p e c t i v e l y a t -8 5 + 1 P 5 mV ( n =) ,- 9 - 0 + 1 P 8 mV ( n =) and -6+I0 mV ( n =) .GABA c o m p o n e n tA s y n a p t i c p o t e n t i a l m e d i a t e d b y GABA was e v o k e d b y f o c a l s t i m u l a t i o n w i t h i nt h e s t r i a t u m i n t h e p r e s e n c e o f CNQX a n d APV. Even w i t h e l e c t r o d e s t h a t c o n t a i n e d

p o t a s s i u m a c e t a t e , t h e s y n a p t i c p o t e n t i a l was d e p o l a r i z i n g a t t h e r e s t i n g p o t e n t i a l

C

1. . -; ,



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RAT STRIATAL NEURONES 5 4 7( F i g . 8 A ) . T h i s s y n a p t i c p o t e n t i a l w a s r e d u c e d i n a m p l i t u d e b y d e p o l a r i z a t i o n a n di n c r e a s e d b y h y p e r p o l a r i z a t i o n . I t r e v e r s e d p o l a r i t y a t - 5 7 - 5 + 3 - 5 mV (-47 t o- 70 mV, n = 6 ) ( F i g . 8 ) . I n t w o c e l l s r e c o r d e d w i t h p o t a s s i u m c h l o r i d e i n t h ee l e c t r o d e s , t h e r e v e r s a l p o t e n t i a l s e x t r a p o l a t e d a s d e s c r i b e d a b o v e w e r e - 32 a n d

A B - 2 n A C- 4 7- 5 7 1n- 6 5- 7 4 -' 0 \ I | + 2 0 m V - 9 0 - 7 0 - 1 0 1 0- 8 5 - 4 0 - 3 0 mV- 9 5 - 1 0 01 5 m V 2 0 ms

F i g . 8 . S y n a p t i c p o t e n t i a l a n d c u r r e n t s m e d i a t e d b y GABA e v o k e d b y f o c a l s t i m u l a t i o nw i t h i n t h e s t r i a t u m . CNQX ( 1 0 , U M ) a n d APV ( 3 0 / S M ) p r e s e n t . A , h i g h - r e s i s t a n c em i c r o e l e c t r o d e r e c o r d i n g w i t h a n e l e c t r o d e c o n t a i n i n g p o t a s s i u m a c e t a t e ( 2 M ) . T h es y n a p t i c p o t e n t i a l i s n u l l i f i e d a t a b o u t - 47 mV. B , t i g h t - s e a l w h o l e - c e l l r e c o r d i n g . T h ec e l l w a s s t e p p e d f r o m t h e h o l d i n g p o t e n t i a l o f - 4 0 mV t o a d i f f e r e n t p o t e n t i a l i n t h er a n g e -1 00 t o + 2 0 mV ( l o w e r t r a c e s ) . T h e r e s u l t a n t m e m b r a n e c u r r e n t s a r e s h o w n i n t h eu p p e r t r a c e s . A t t h e a r r o w , a s i n g l e p u l s e s t i m u l u s w a s a p p l i e d t o t h e s u r f a c e o f t h e b r a i ns l i c e w i t h i n t h e s t r i a t u m . C , p e a k s y n a p t i c c u r r e n t s f r o m B a s a f u n c t i o n o f membranep o t e n t i a l . T h e l a r g e s t c u r r e n t s a r e p r o b a b l y u n d e r e s t i m a t e d b e c a u s e o f e s c a p e f r o mc l a m p .

-30 mV. W i t h w h o l e - c e l l r e c o r d i n g , t h e s y n a p t i c c u r r e n t r e v e r s e d a t - 53 + 3 . 7 mV( n = 7 ) .GABA was a p p l i e d b y e j e c t i n g a f e w n a n o l i t r e s f r o m a p r e s s u r i z e d p i p e t t e i n t o t h es u p e r f u s i n g s o l u t i o n i m m e d i a t e l y a b o v e t h e r e g i o n o f t h e s l i c e f r o m w h i c h t h er e c o r d i n g w a s m a d e . T h e p i p e t t e c o n t a i n e d 1 0 0 mM-GABA, a n d 7 0 kPa w a s a p p l i e df o r 5 0 - 2 0 0 m s . A d e p o l a r i z a t i o n w a s e v o k e d ( 4 - 1 7 mV) t h a t w a s b l o c k e d b yb i c u c u l l i n e ( 3 0 g M ) a n d p i c r o t o x i n ( 1 0 0 , t M ) . T h e d e p o l a r i z a t i o n d e c r e a s e d i na m p l i t u d e a s t h e membrane w a s d e p o l a r i z e d a n d w a s n u l l i f i e d a t - 50 + 5 - 4 mV ( n =4 ; e l e c t r o d e s c o n t a i n e d p o t a s s i u m a c e t a t e ) . F i v e s i m i l a r e x p e r i m e n t s w i t h w h o l e - c e l lr e c o r d i n g g a v e a r e v e r s a l p o t e n t i a l o f - 4 8 + 5 mV.

DISCUSSIONTwo t y p e s o f s t r i a t a l n e u r o n e sA m a i n f i n d i n g o f t h e p r e s e n t s t u d y i s t h a t t w o t y p e s o f n e u r o n e c a n b e r e a d i l yd i s t i n g u i s h e d w i t h i n t h e s t r i a t u m o n t h e b a s i s o f membrane p r o p e r t i e s . I n b r i e f ,p r i n c i p a l c e l l s w e r e h i g h l y p o l a r i z e d ( a b o u t - 9 0 m V ) , h a d a h i g h e r c o n d u c t a n c e a t

t h e r e s t i n g p o t e n t i a l , a n d e x h i b i t e d I K I R ( a r a p i d l y d e v e l o p i n g , b a r i u m - s e n s i t i v ei n c r e a s e i n c o n d u c t a n c e i n t h e p o t e n t i a l r a n g e - 70 t o - 1 2 0 mV) b u t n o t I h .S e c o n d a r y c e l l s w e r e l e s s w e l l p o l a r i z e d ( a b o u t - 60 m V ) , h a d a l o w e r c o n d u c t a n c e

1 8 - 2) by guest on October 27, 2010jp.physoc.orgDownloaded from J Physiol (


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Z . - G . JIANG AND R . A . NORTHa t t h e r e s t i n g p o t e n t i a l , a n d e x h i b i t e d I h ( a s l o w l y d e v e l o p i n g , b a r i u m - i n s e n s i t i v ei n c r e a s e i n c o n d u c t a n c e i n t h e p o t e n t i a l r a n g e - 60 t o - 1 0 0 mV) b u t n o t I K J R .E v i d e n c e i s n e x t d i s c u s s e d i n s u p p o r t o f t h e c o n c l u s i o n t h a t t h e p r i n c i p a l c e l l s a r em e d i u m s p i n y , G A B A - c o n t a i n i n g p r o j e c t i o n n e u r o n e s a n d t h a t s e c o n d a r y c e l l s a r el a r g e a s p i n y i n t e r n e u r o n e s .F i r s t , t h e r a t i o o f t h e c e l l s o b s e r v e d i s a b o u t t h e s a m e a s w o u l d b e e x p e c t e d o n t h eb a s i s o f m o r p h o l o g i c a l s t u d i e s t h a t s e p a r a t e s t r i a t a l n e u r o n e s a c c o r d i n g t o soma s i z e( K e m p & P o w e l l , 1 9 7 1 d ; G r a v e l a n d & D i F i g l i a , 1 9 8 5 ) . Whe n s e c o n d a r y c e l l s w e r ei m p a l e d , t h e r e c o r d i n g s w e r e u s u a l l y v e r y s t a b l e a n d l o n g l a s t i n g , w h i c h i s a l s oc o n s i s t e n t w i t h t h e c e l l s b e i n g l a r g e : W i l s o n , C h a n g & K i t a i ( 1 9 9 0 ) m a d e a s i m i l a ro b s e r v a t i o n w i t h t h e i r i n v i v o r e c o r d i n g s f r o m i d e n t i f i e d g i a n t a s p i n y n e u r o n e s .S e c o n d , W i l s o n e t a l . ( 1 9 9 0 ) f o u n d t h a t t h e g i a n t a s p i n y n e u r o n e s h a d a h i g h e r i n p u tr e s i s t a n c e t h a n s p i n y n e o s t r i a t a l n e u r o n e s ; o u r s e c o n d a r y c e l l s h a d i n p u t r e s i s t a n c e s( a t r e s t ) t h r e e t i m e s h i g h e r t h a n p r i n c i p a l c e l l s . T h e d i f f e r e n c e i n i n p u t r e s i s t a n c e i si n t h e o p p o s i t e d i r e c t i o n f r o m t h a t w h i c h w o u l d b e e x p e c t e d s i m p l y o n t h e b a s i s o fc e l l s i z e , i m p l y i n g e v e n g r e a t e r d i f f e r e n c e s i n t h e p r o p e r t i e s o f u n i t a r e a o f m e m b r a n e .T h i r d , t h e r e was a m a r k e d d i f f e r e n c e i n r e s t i n g p o t e n t i a l o f t h e c e l l s u n d e r t h ep r e s e n t r e c o r d i n g c o n d i t i o n s . T h e p r i n c i p a l c e l l s h a v e p r o p e r t i e s s i m i l a r t o t h o s er e p o r t e d f o r n e u r o n e s o f t h e v e n t r a l s t r i a t u m ( i . e . n u c l e u s a c c u m b e n s : U c h i m u r a ,H i g a s h i & N i s h i , 1 9 8 6 ; U c h i m u r a e t a l . 1 9 8 9 ) , w h i c h owe much o f t h e i r h i g h r e s t i n gp o t e n t i a l t o t h e a c t i v a t i o n o f ' K , I R a t r e s t . I n 2 - 5 m M - p o t a s s i u m , t h e a v e r a g e r e s t i n gp o t e n t i a l was c l o s e t o - 9 0 mV b u t t h e n e u r o n e s d e p o l a r i z e d m a r k e d l y a s t h ep o t a s s i u m c o n c e n t r a t i o n was r a i s e d ( F i g . 3 ; s e e U c h i m u r a e t a l . 1 9 8 9 ) ; t h i s m a k e s i td i f f i c u l t t o c o m p a r e t h e v a l u e s d i r e c t l y w i t h t h e m e m b r a n e p o t e n t i a l o b s e r v e d i n v i v ow h e r e t h e e x t r a c e l l u l a r p o t a s s i u m c o n c e n t r a t i o n i s g e n e r a l l y n o t k n o w n . Th ec o n d u c t a n c e I K , I R wa s p r e v i o u s l y o b s e r v e d i n r a t g l o b u s p a l l i d u m n e u r o n e s i nc u l t u r e ( S t a n f i e l d , N a k a j i m a & Y a m a g u c h i , 1 9 8 5 ) . S e c o n d a r y c e l l s r e s t e d a t ap o t e n t i a l c l o s e t o - 60 m V , c o n s i s t e n t w i t h t h e a b s e n c e o f I K , I R a n d t h e p r e s e n c e o fI h , w h i c h w o u l d t e n d t o h o l d t h e membrane p o t e n t i a l a t a b o u t t h i s l e v e l i n t h e f a c eo f h y p e r p o l a r i z i n g c u r r e n t s ( F i g . 3 ) . A s m e n t i o n e d a b o v e , i t i s d i f f i c u l t t o c o m p a r et h e p r e s e n t r e s u l t s d i r e c t l y w i t h t h o s e o f i n v i v o r e c o r d i n g s b e c a u s e o f t h e d i f f e r e n tc o n d i t i o n s : h o w e v e r , i t i s n o t e w o r t h y t h a t i d e n t i f i e d g i a n t a s p i n y n e u r o n e s i n v i v oh a d p o t e n t i a l s ' w i t h i n a f e w mV o f t h e s p i k e t h r e s h o l d ' w h e r e a s s p i n y n e u r o n e s h a dr e s t i n g p o t e n t i a l s ' f a r f r o m t h e a c t i o n p o t e n t i a l t h r e s h o l d ' ( W i l s o n e t a l . 1 9 9 0 ) . T h eo b s e r v a t i o n s a r e c o n s i s t e n t w i t h t h e i n t e r p r e t a t i o n t h a t p r i n c i p a l c e l l s , mediuma s p i n y n e u r o n e s , a r e h i g h l y p o l a r i z e d b e c a u s e t h e y e x p r e s s t h e i n w a r d l y r e c t i f y i n gp o t a s s i u m c o n d u c t a n c e K , I R w h e r e a s t h e s e c o n d a r y c e l l s , l a r g e a s p i n y n e u r o n e s , a r el e s s p o l a r i z e d b e c a u s e t h e y l a c k I K , I R b u t e x p r e s s I h . A s i m i l a r d i s t i n c t i o n b e t w e e nt h e s e two c e l l t y p e s h a s a l s o b e e n o b s e r v e d f o r n e u r o n e s i n t h e n u c l e u s a c c u m b e n s( U c h i m u r a , C h e r u b i n i & N o r t h , 1 9 9 0 ) .A f o u r t h d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e two c e l l g r o u p s was i n t h e a f t e r - p o t e n t i a l sf o l l o w i n g t h e a c t i o n p o t e n t i a l . T h e p r i n c i p a l c e l l s h a d a d e p o l a r i z i n g a f t e r - p o t e n t i a l .T h i s wa s c o n s i d e r e d n o t t o r e s u l t f r o m r e l e a s e o f t r a n s m i t t e r b e c a u s e i t was n o tr e d u c e d b y c o b a l t ( w h i c h b l o c k e d e v o k e d s y n a p t i c p o t e n t i a l s , s e e b e l o w ) . T h i s a f t e r -d e p o l a r i z a t i o n was a l s o o b s e r v e d f o l l o w i n g a n t i d r o m i c a c t i v a t i o n , e v e n when t h ea n t i d r o m i c a c t i o n p o t e n t i a l f a i l e d t o i n v a d e f u l l y t h e c e l l soma a n d was r e c o r d e d a sa f r a c t i o n a t e d s p i k e a n a l o g o u s t o t h e i n i t i a l s e g m e n t o f a m y e l i n a t e d f i b r e ( C o o m b s ,

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RAT STRIATAL NEURONESC u r t i s & E c c l e s , 1 9 5 7 ) . F u r t h e r s t u d i e s w o u l d b e n e c e s s a r y t o i d e n t i f y t h e s o u r c e o ft h e c u r r e n t u n d e r l y i n g t h e a f t e r - d e p o l a r i z a t i o n b u t o n e p o s s i b i l i t y i s c a p a c i t a t i v ec u r r e n t a r i s i n g f r o m t h e d i s c h a r g e o f t h e p r o x i m a l a x o n ( B l i g h t & S o m e y a , 1 9 8 5 ) .T h e a c t i o n p o t e n t i a l o f s e c o n d a r y c e l l s , i n c o n t r a s t , w a s f o l l o w e d b y a n a f t e r -h y p e r p o l a r i z a t i o n b u t t h i s w a s n o t s t u d i e d i n d e t a i l .T h e f i f t h k i n d o f e v i d e n c e t h a t b e a r s o n t h e d i s t i n c t i o n b e t w e e n t h e two c e l l t y p e sr e l a t e s t o t h e p r o j e c t i o n o f t h e i r a x o n s . T h e m a j o r i t y o f p r i n c i p a l n e u r o n e s c o u l d b ea n t i d r o m i c a l l y a c t i v a t e d f r o m t h e p a l l i d u m . T h e r e a r e s e v e r a l r e a s o n s whya n t i d r o m i c a c t i v a t i o n m i g h t n o t s u c c e e d - t h e a x o n ma y b e s e v e r e d d u r i n g t h e s l i c ep r e p a r a t i o n o r t h e s t i m u l a t i n g e l e c t r o d e ma y n o t b e s u f f i c i e n t l y c l o s e t o t h e a x o nw i t h i n t h e p a l l i d u m - a n d t h e p r e s e n t r e s u l t s t h e r e f o r e d o n o t e x c l u d e t h e p o s s i b i l i t yt h a t a l l p r i n c i p a l c e l l s p r o j e c t t o p a l l i d u m . T h i s i n t e r p r e t a t i o n w o u l d b e c o n s i s t e n tw i t h a n a t o m i c a l s t u d i e s ( P r e s t o n e t a l . 1 9 8 0 ; S o m o g y i e t a l . 1 9 8 1 ) a l t h o u g h i np r e v i o u s s t u d i e s i n v i v o m a ny s t r i a t a l n e u r o n e s c o u l d n o t b e e x c i t e d a n t i d r o m i c a l l y .S e c o n d a r y c e l l s w e r e n o t a n t i d r o m i c a l l y a c t i v a t e d f r o m t h e p a l l i d u m , w h i c h i sc o n s i s t e n t w i t h t h e m b e i n g a s p i n y i n t e r n e u r o n e s , b u t f e w c e l l s w e r e s a m p l e d .T h e h i s t o l o g i c a l s t u d i e s p r o v i d e a s i x t h r e a s o n t o i d e n t i f y t h e p r i n c i p a l c e l l s a smedium s p i n y n e u r o n e s . I n a l l r e s p e c t s - soma s i z e , d e n d r i t i c a r b o r i z a t i o n , h e a v i l ys p i n e d d e n d r i t e s - t h e p r i n c i p a l c e l l s c o n f o r m e d t o t h e h i s t o l o g i c a l c l a s s o f mediums p i n y n e u r o n e s ( s e e K a w a g u c h i , W i l s o n & E m s o n , 1 9 8 9 ; a n d r e f e r e n c e s t h e r e i n ) . Nos e c o n d a r y c e l l s w e r e s a m p l e d i n t h e p r e s e n t e x p e r i m e n t s ; m i c r o e l e c t r o d e s c o n t a i n i n gb i o c y t i n a r e l e s s t h a n i d e a l f o r s t u d i e s o n membrane p r o p e r t i e s a n d w e r e t h e r e f o r eu s e d i n o n l y a s u b s e t o f e x p e r i m e n t s . H o w e v e r , t h e r e m a r k a b l e c o i n c i d e n c e o f t h ep r o p e r t i e s o f s e c o n d a r y c e l l s d e s c r i b e d a b o v e w i t h t h o s e f o u n d b y W i l s o n e t a l . ( 1 9 9 0 )f o r a f e w i d e n t i f i e d l a r g e a s p i n y n e u r o n e s s u p p o r t s t h e v i e w t h a t t h e s e c e l l s a r e i n t h es a m e g r o u p .

P r e v i o u s s t u d i e s u s i n g i n t r a c e l l u l a r r e c o r d i n g i n v i t r o h a v e f a i l e d t o d i s t i n g u i s h t h et w o t y p e s o f n e u r o n e s e e n i n t h e p r e s e n t e x p e r i m e n t s . I n p a r t i c u l a r , a r e c e n t s t u d ys h o w e d t h a t t h e p r o p e r t i e s o f n e u r o n e s l o c a t e d i n t h e s t r i a t a l m a t r i x d i d n o t d i f f e rf r o m t h o s e o f c e l l s i n t h e p a t c h e s ( K a w a g u c h i e t a l . 1 9 8 9 ) . T h e b a s i c p r o p e r t i e s o f t h ec e l l s p r e s e n t e d i n t h a t s t u d y w e r e s i m i l a r t o p r e v i o u s a c c o u n t s ( K i t a , K i t a & K i t a i ,1 9 8 4 , 1 9 8 5 ; C a l a b r e s i , M e r c u r i , S t a n z i o n e , S t e f a n i & B e r n a r d i , 1 9 8 7 a ; C a l a b r e s i ,M i s g e l d & D o d t , 1 9 8 7 b ; C h e r u b i n i e t a l . 1 9 8 8 ; B a r g a s , G a l a r r a g a & A c e v e s , 1 9 8 8 ,1 9 8 9 ) a n d m o s t s i m i l a r t o t h e p r o p e r t i e s o f o u r p r i n c i p a l c e l l s . I t i s p o s s i b l e t h a t t h er e l a t i v e l y l o w p o t a s s i u m c o n c e n t r a t i o n u s e d i n t h e p r e s e n t e x p e r i m e n t s ( 2 - 5 m M )f a v o u r e d t h e s e p a r a t i o n among t h e two g r o u p s o n t h e b a s i s o f r e s t i n g p o t e n t i a l a n di n p u t r e s i s t a n c e . E x t r a c e l l u l a r r e c o r d i n g s i n v i v o p r o v i d e e v i d e n c e f o r two t y p e s o fn e u r o n e i n t h e r a t s t r i a t u m t h a t c a n b e d i f f e r e n t i a t e d o n t h e b a s i s o f t h e s p i k ew a v e f o r m ( N i s e n b a u m , O r r & B e r g e r , 1 9 8 8 ) . T h e y c o n c l u d e d t h a t t h e mosta b u n d a n t w a v e f o r m ( T y p e I I : 8 6% o f c e l l s ) was g e n e r a t e d b y a medium s p i n yn e u r o n e ; t h i s w o u l d t h e r e f o r e c o r r e s p o n d t o o u r p r i n c i p a l c e l l .S y n a p t i c p o t e n t i a l s

O u r o b s e r v a t i o n s c o n f i r m a n d e x t e n d t h o s e o f p r e v i o u s w o r k e r s ( L i g h t h a l l & K i t a i ,1 9 8 3 ; C h e r u b i n i e t a l . 1 9 8 8 ; s e e a l s o K a w a g u c h i e t a l . 1 9 8 9 ) t h a t r a t n e o s t r i a t a ln e u r o n e s r e c e i v e s y n a p t i c i n p u t s m e d i a t e d b y a n e x c i t a t o r y a m i n o a c i d a n d b yGABA. T h e r e a r e two d e v e l o p m e n t s o v e r t h e e a r l i e r o b s e r v a t i o n s on t h e s y n a p t i c

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Z . - G . JIANG AND R . A . NORTHp o t e n t i a l s . A n t a g o n i s t s o f i m p r o v e d s e l e c t i v i t y w e r e u s e d t o d i s c r i m i n a t e b e t w e e nt h e c o m p o n e n t s m e d i a t e d b y e x c i t a t o r y a m i n o a c i d s a n d t h o s e m e d i a t e d b y GABA,a n d a n o b l i q u e s l i c e was u s e d t o p e r m i t b e t t e r r e s o l u t i o n o f t h e s o u r c e o f t h e f i b r e st h a t p r o v i d e d t h e s y n a p t i c i n p u t . T h u s , s t i m u l a t i o n o f t h e e x t e r n a l c a p s u l e a l w a y se v o k e d a s y n a p t i c p o t e n t i a l t h a t w a s c o m p l e t e l y b l o c k e d b y CN QX a n d APV,c o n s i s t e n t w i t h a s t r o n g e x c i t a t o r y i n p u t f r o m t h e c o r t e x ( s e e I n t r o d u c t i o n ) . T h i ss y n a p t i c p o t e n t i a l a l w a y s c o m p r i s e d t w o p h a r m a c o l o g i c a l l y d i s t i n c t c o m p o n e n t s ,m e d i a t e d b y NMDA a n d n o n - N M DA r e c e p t o r s . T h e u n d e r l y i n g c u r r e n t s r e c o r d e dw i t h t h e w h o l e - c e l l m e t h o d h a d t h e s a m e r e v e r s a l p o t e n t i a l , c o n s i s t e n t w i t h t h eo p e n i n g o f c h a n n e l s p e r m e a b l e t o b o t h p o t a s s i u m a n d c a e s i u m a s w e l l a s s o d i u m( N o w a k , B r e g e s t o v s k i , A s c h e r , H e r b e t & P r o c h i a n t z , 1 9 8 4 ; M a y e r & W e s t b r o o k ,1 9 8 7 ) b u t t h e NMDA c o m p o n e n t s h o w e d t h e t y p i c a l v o l t a g e d e p e n d e n c e ( F i g . 6 C )( N o w a k e t a l . 1 9 8 4 ) . T h e s l o w e r r i s e t i m e a n d l o n g e r d u r a t i o n o f t h e NMDAc o m p o n e n t ( F i g . 6A a n d B ) i s a l s o c h a r a c t e r i s t i c ( s e e C o l l i n g r i d g e & L e s t e r , 1 9 8 9 ;W e s t b r o o k & J a h r ; 1 9 8 9 ) .T h e s y n a p t i c p o t e n t i a l m e d i a t e d b y GABA c o u l d b e i s o l a t e d b y a d d i n g CNQX a n dAPV t o t h e p e r f u s i n g s o l u t i o n ; t h e GABA c o m p o n e n t w a s s e e n i n 6 4 % o f c e l l s . T h eu n d e r l y i n g s y n a p t i c c u r r e n t r e v e r s e d a t a p o t e n t i a l c l o s e t o t h e c a l c u l a t e d c h l o r i d ee q u i l i b r i u m p o t e n t i a l , a s d i d t h e r e s p o n s e t o e x o g e n o u s l y a p p l i e d GABA. T h i ss y n a p t i c p o t e n t i a l w a s d e p o l a r i z i n g a t t h e r e s t i n g p o t e n t i a l e v e n when p o t a s s i u ma c e t a t e w a s u s e d t o f i l l t h e r e c o r d i n g e l e c t r o d e s , a n d t h i s m a y a c c o u n t f o r a n e a r l i e rr e p o r t t h a t o n l y a s m a l l p r o p o r t i o n o f m edium s p i n y n e u r o n e s s h o w e d ah y p e r p o l a r i z i n g s y n a p t i c i n p u t ( L i g h t h a l l & K i t a i , 1 9 8 3 ) . An y i n h i b i t o r y a c t i o n o fGABA i n t h e s e c e l l s ( a t l e a s t , u n d e r t h e s e c o n d i t i o n s ) must t h e r e f o r e a r i s e f r o m as h u n t i n g o f s y n a p t i c c u r r e n t s e v o k e d b y t h e e x c i t a t o r y a m i n o a c i d s .I t w a s t h o u g h t t h a t t h e a f t e r - d e p o l a r i z a t i o n f o l l o w i n g t h e a n t i d r o m i c a c t i o np o t e n t i a l ( F i g . 5 A ) m i g h t b e d u e t o GABA r e l e a s e , i n v i e w o f t h e e v i d e n c e f o rr e c u r r e n t i n h i b i t i o n ( P a r k e t a t . 1 9 8 0 ) , b u t t h e l a c k o f e f f e c t o f c o b a l t o r c a d i n i u mi n d i c a t e s t h a t t h i s i s u n l i k e l y . M o r e o v e r , t h e g l u t a m a t e - m e d i a t e d s y n a p t i c p o t e n t i a le v o k e d b y s t i m u l a t i n g c o r t i c o s t r i a t e f i b r e s w a s u n a f f e c t e d b y a p r i o r a n t i d r o m i ca c t i o n p o t e n t i a l , a l t h o u g h GABA r e l e a s e f r o m a x o n c o l l a t e r a l s m i g h t h a v e b e e ne x p e c t e d t o r e d u c e t h i s s y n a p t i c p o t e n t i a l b y p o s t s y n a p t i c s h u n t i n g a n d / o r b yp r e s y n a p t i c i n h i b i t i o n ( t h r o u g h GABAB r e c e p t o r s ) . On t h e o t h e r h a n d , i n s i x o f t e nc e l l s t h a t w e r e n o t a c t i v a t e d a n t i d r o m i c a l l y , s t i m u l a t i o n o f t h e i n t e r n a l c a p s u l e o fp a l l i d u m c o u l d e v o k e a b i c u c u l l i n e - s e n s i t i v e s y n a p t i c p o t e n t i a l . A l t h o u g h t h e s o u r c eo f t h e f i b r e s c a n n o t b e d e t e r m i n e d w i t h c e r t a i n t y i n t h e p r e s e n t k i n d o f e x p e r i m e n t ,t h i s s y n a p t i c p o t e n t i a l c o u l d b e d u e t o r e l e a s e o f GABA f r o m c o l l a t e r a l s o f a x o n s o fmedium s p i n y n e u r o n e s p r o j e c t i n g f r o m t h e s t r i a t u m ( P a r k e t a l . 1 9 8 0 ) .T h e m a i n c o n c l u s i o n o f t h e p r e s e n t w o r k i s t h a t a s m a l l s u b p o p u l a t i o n o fn e o s t r i a t a l n e u r o n e s c a n b e d i s t i n g u i s h e d f r o m t h e a b u n d a n t medium s p i n y n e u r o n e sb y t h e i o n c o n d u c t a n c e s e x p r e s s e d . B o t h c l a s s e s o f c e l l r e c e i v e s y n a p t i c i n p u t sm e d i a t e d b y e x c i t a t o r y a m i n o a c i d s a n d b y GABA: r e c o r d i n g s o f s y n a p t i c c u r r e n t si n d i c a t e t h a t t h e NMDA, n o n -N M DA a n d GABA c o m p o n e n t s o f t h e s e s y n a p t i ci n p u t s o p e r a t e i n a manner s i m i l a r t o t h a t s e e n i n o t h e r p a r t s o f t h e mammaliann e r v o u s s y s t e m .

5 5 0



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RAT STRIATAL NEURONEST h i s w o r k w a s s u p p o r t e d b y US D e p a r t m e n t o f H e a l t h a n d H u m a n S e r v i c e s g r a n t s D A 0 3 1 6 0 ,D A 0 3 1 6 1 a n d M H 4 0 4 1 6 .

REFERENCESB A R G A S , J . , G A L A R R A G A , E . & A C E V E S , J . ( 1 9 8 8 ) . E l e c t r o t o n i c p r o p e r t i e s o f n e o s t r i a t a l n e u r o n s a r em o d u l a t e d b y e x t r a c e l l u l a r p o t a s s i u m . E x p e r i m e n t a l B r a i n R e s e a r c h 7 2 , 3 9 0 - 3 9 8 .B A R G A S , J . , G A L A R R A G A , E . & A C E V E S , J . ( 1 9 8 9 ) . An e a r l y o u t w a r d c o n d u c t a n c e m o d u l a t e s t h ef i r i n g l a t e n c y a n d f r e q u e n c y o f n e o s t r i a t a l n e u r o n s o f t h e r a t b r a i n . E x p e r i m e n t a l B r a i n R e s e a r c h7 5 , 1 4 6 - 1 5 6 .B E C K S T E A D , R . M . ( 1 9 8 4 ) . T h e t h a l a m o s t r i a t a l p r o j e c t i o n i n t h e c a t . J o u r n a l o f C o m p a r a t i v eN e u r o l o g y 2 2 3 , 3 1 3 - 3 4 6 .B E C K S T E A D , R . M . , D o M E S I C K , V . B . & N A U T A , W. J . H . ( 1 9 7 9 ) . E f f e r e n t c o n n e c t i o n s o f t h e

s u b s t a n t i a n i g r a a n d v e n t r a l t e g m e n t a l a r e a o f t h e r a t . B r a i n R e s e a r c h 1 7 5 , 1 9 1 - 2 1 7 .B I S H O P , G . A . , C H A N G , H . T . & K I T A I , S . T . ( 1 9 8 2 ) . M o r p h o l o g i c a l a n d p h y s i o l o g i c a l p r o p e r t i e s o fn e o s t r i a t a l n e u r o n s : a n i n t r a c e l l u l a r h o r s e r a d i s h p e r o x i d a s e s t u d y i n t h e r a t . N e u r o s c i e n c e 7 ,1 7 9 - 1 9 1 .B L A N T O N , M . G . , Lo T u R c o , J . J . & K R I E G S T E I N , A . R . ( 1 9 8 9 ) . W h o l e c e l l r e c o r d i n g f r o m n e u r o n si n s l i c e s o f r e p t i l i a n a n d mammalian c e r e b r a l c o r t e x . J o u r n a l o f N e u r o s c i e n c e M e t h o d s 3 0 ,2 0 3 - 2 1 0 .B L I G H T , A . R . & S O M E Y A , S . ( 1 9 8 5 ) . D e p o l a r i z i n g a f t e r p o t e n t i a l s i n m y e l i n a t e d a x o n s o fmammalian s p i n a l c o r d . N e u r o s c i e n c e 1 5 , 1 - 1 2 .C A L A B R E S I , P . , M E R C U R I , N . B . & B E R N A R D I , G . ( 1 9 9 0 a ) . S y n a p t i c a n d i n t r i n s i c c o n t r o l o fm e m b r a n e e x c i t a b i l i t y o f n e o s t r i a t a l n e u r o n s : I I . An i n v i t r o a n a l y s i s . J o u r n a l o f N e u r o p h y s i o l o g y6 3 , 6 6 3 - 6 7 5 .C A L A B R E S I , P . , M E R C U R I , N . , S T A N Z I O N E , P . , S T E F A N I , A . & B E R N A R D I , G . ( 1 9 8 7 a ) . I n t r a c e l l u l a rs t u d i e s o n t h e d o p a m i n e - i n d u c e d f i r i n g i n h i b i t i o n o f n e o s t r i a t a l n e u r o n s i n v i t r o : e v i d e n c e f o r D ,r e c e p t o r i n v o l v e m e n t . N e u r o s c i e n c e 2 0 , 7 5 7 - 7 7 1 .C A L A B R E S I , P . , M E R C U R I , N . B . , S T E F A N I , A . & B E R N A R D I , G . ( 1 9 9 0 b ) S y n a p t i c a n d i n t r i n s i cc o n t r o l o f membrane e x c i t a b i l i t y o f n e o s t r i a t a l n e u r o n s : I . An i n v i v o a n a l y s i s . J o u r n a l o fN e u r o p h y s i o l o g y 6 3 , 6 5 1 - 6 6 2 .C A L A B R E S I , P . , M I S G E L D , U . & D O D T , H . U . ( 1 9 8 7 b ) . I n t r i n s i c membrane p r o p e r t i e s o f n e o s t r i a t a ln e u r o n s c a n a c c o u n t f o r t h e i r l o w l e v e l o f s p o n t a n e o u s a c t i v i t y . N e u r o s c i e n c e 2 0 , 2 9 3 - 3 0 3 .C H E R U B I N I , E . , H E R R L I N G , P . L . , L A N F U M E Y , L . & S T A N Z I O N E , P . ( 1 9 8 8 ) . E x c i t a t o r y a m i n o a c i d si n s y n a p t i c e x c i t a t i o n o f r a t s t r i a t a l n e u r o n e s i n v i t r o . J o u r n a l o f P h y s i o l o g y 4 0 0 , 6 7 7 - 6 9 0 .C O L L I N G R I D G E , G . L . & L E S T E R , R . A . ( 1 9 8 9 ) . E x c i t a t o r y a m i n o a c i d r e c e p t o r s i n t h e v e r t e b r a t ec e n t r a l n e r v o u s s y s t e m . P h a r m a c o l o g i c a l R e v i e w s 4 1 , 1 4 3 - 2 1 0 .C O N S T A N T I , A . & G A L V A N , M . ( 1 9 8 3 ) . F a s t i n w a r d r e c t i f y i n g c u r r e n t a c c o u n t s f o r a n o m a l o u sr e c t i f i c a t i o n i n o l f a c t o r y c o r t e x n e u r o n e s . J o u r n a l o f P h y s i o l o g y 3 8 5 , 1 5 3 - 1 7 8 .C O O M B S , J . S . , C U R T I S , D . R . & E C O L E S , J . C . ( 1 9 5 7 ) . T h e i n t e r p r e t a t i o n o f s p i k e p o t e n t i a l s i nm o t o n e u r o n e s . J o u r n a l o f P h y s i o l o g y 1 3 9 , 1 9 8 - 2 3 1 .F I S H E R , R . S . , B U C H W A L D , N . A . , H U L L , C . D . & L E V I N E , M . S . ( 1 9 8 6 ) . T h e G A B A e r g i c s t r i a t o n i g r a ln e u r o n s o f t h e c a t : d e m o n s t r a t i o n b y d o u b l e p e r o x i d a s e l a b e l i n g . B r a i n R e s e a r c h 3 9 8 , 1 4 8 - 1 5 6 .F U L L E R , D . R . G . , H U L L , C . D . & B U C H W A L D , N . A . ( 1 9 7 5 ) . I n t r a c e l l u l a r r e s p o n s e s o f c a u d a t eo u t p u t n e u r o n s t o o r t h o d r o m i c s t i m u l a t i o n . B r a i n R e s e a r c h 9 6 , 3 3 7 - 3 4 1 .G E R F E N , C . R . ( 1 9 8 5 ) . T h e n e o s t r i a t a l m o s a i c . I . C o m p a r t m e n t a l o r g a n i z a t i o n o f p r o j e c t i o n s f r o mt h e s t r i a t u m t o t h e s u b s t a n t i a n i g r a i n t h e r a t . J o u r n a l o f C o m p a r a t i v e N e u r o l o g y 2 3 6 , 4 5 4 - 4 7 6 .G E R F E N , C . R . , H E R K E N H A M , M . & T H I B A U L T , J . ( 1 9 8 7 ) . T h e n e o s t r i a t a l m o s a i c : I I . P a t c h - a n dm a t r i x - d i r e c t e d m e s o s t r i a t a l d o p a m i n e r g i c a n d n o n - d o p a m i n e r g i c s y s t e m s . J o u r n a l o f N e u -r o s c i e n c e 7 , 3 9 1 5 - 3 9 3 4 .G R A V E L A N D , G . A . & D I F I G L I A , M . ( 1 9 8 5 ) . T h e f r e q u e n c y a n d d i s t r i b u t i o n o f m e d i u m - s i z e dn e u r o n s w i t h i n d e n t e d n u c l e i i n t h e p r i m a t e a n d r o d e n t n e o s t r i a t u m . B r a i n R e s e a r c h 3 2 7 ,3 0 7 - 3 1 1 .G R A Y B I E L , A . M . & R A G S D

Z.G. Jiang and R.A. North- Membrane Properties and Synaptic Responses of Rat Striatal Neurones in...

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